KOMBINOVANÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE

VYSOKÉ U!ENÍ TECHNICKÉ V BRN" BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV TECHNICKÝCH ZA#ÍZENÍ BUDOV FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF BUILDING SERVICES

KOMBINOVANÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE THE COMBINED PRODUCTION OF HEAT AND ELECTRICITY

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

BC. MICHAL TALA!

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2014

Ing. MARCELA PO!INKOVÁ, Ph.D.

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá návrhem kogenera!ní jednotky, jejího dimenzování a optimalizací provozu. V první, teoretické !ásti, jsou vysv"tleny principy kogenerace a s ní spojené výhody a nevýhody, popsány jsou jednotlivé typy jednotek, jejich hlavní komponenty a je popsána i vhodnost jejich nasazení v jednotlivých typech budov. Druhá !ást této práce se zabývá samotným návrhem kogenera!ní jednotky v daném objektu. Návrh kogenera!ní jednotky se skládá od samotného zhodnocení objektu, p#es výb"r vhodných jednotek, optimalizaci vybrané #ady kogenera!ních jednotek, po záv"re!nou finan!ní analýzu. Sou!ástí diplomové práce je také výkresová !ást, která zobrazuje stávající stav otopné soustavy a následn" schéma s možným zapojením kogenera!ní jednotky do stávajícího systému.

KLÍ OVÁ!SLOVA Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla, kogenerace, kogenera!ní jednotka

ABSTRACT This thesis describes the design of a cogeneration unit, its design and operational optimization. The theoretical part explains the principles of cogeneration and the associated advantages and disadvantages, also describes the different types of units and their main components and their suitability for use in various types of buildings. The second part of this thesis deals with a design of cogeneration unit in selected building. Design of cogeneration unit consists of evaluation of the object itself, through the selection of suitable units, optimalization of a selected range of cogeneration units, to the final financial analysis. The part of the thesis are also project drawings, which shows the current status of the heating system and subsequently scheme with the possible involvement of cogeneration units in the existing system.

KEYWORDS Combined production of heat and electricity, cogeneration, CHP unit

Bibliografická citace VŠKP Bc. Michal Tala! Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie. Brno, 2014. 117 s., 30 s. p"íl. Diplomová práce. Vysoké u!ení technické v Brn#, Fakulta stavební, Ústav technických za"ízení budov. Vedoucí práce Ing. Marcela Po!inková, Ph.D..

Pod kování Tímto bych cht!l pod!kovat vedoucí mé diplomové práce, Ing. Marcele Po"inkové, Ph.D., za cenné rady a nám!ty, které byly p#i psaní této práce nepostradatelné. Pod!kování pat#í také zam!stnanc$m spole"nosti ESL, a.s. V neposlení #ad! bych cht!l pod!kovat Ing. Vlastimilu Dvo#ákovi za ochotu p#i konzultacích. Dovolte mi rovn!ž pod!kovat mým rodi"$m, bez jejichž podpory mého studia by tato práce nikdy nemohla vzniknout.

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie

OBSAH A. TEORETICKÁ ČÁST ............................................................................................... 6 1.ÚVOD ............................................................................................................................ 6 1.1 Elektrická a tepelná energie ................................................................................. 6 1.2 Princip kogenerace ................................................................................................ 7 1.3 Výhody využívání kogenerace .............................................................................. 8 1.3.1 Energetický přínos kogenerace ................................................................................... 8 1.3.2 Úspora nákladů na nákup energie ............................................................................. 11 1.3.3 Minimalizace nákladů na rozvod energie .................................................................. 11 1.3.4 Ekologický způsob výroby .......................................................................................... 11 1.3.5 Energie pro případ nouze .......................................................................................... 12 1.3.6 Výroba chladu ........................................................................................................... 12

1.4 Nevýhody využívání kogenerace ........................................................................ 12 1.4.1 Pořizovací náklady ..................................................................................................... 12 1.4.2 Doba provozu ............................................................................................................ 12 1.4.3 Současná výroba elektrické a tepelné energie .......................................................... 13

1.5 Přehled kogeneračních technologií a jejich parametry ................................... 13 1.6 Kogenerační systémy .......................................................................................... 14 2. DRUHY KOGENERAČNÍCH ZAŘÍZENÍ ............................................................ 15 2.1 Kogenerace s parní turbínou.............................................................................. 15 2.2 Kogenerace s plynovou turbínou ....................................................................... 16 2.3 Paroplynová zařízení .......................................................................................... 17 2.4 Kogenerace s pístovými spalovacími motory .................................................... 18

1


2.5 Kogenerační zařízení se speciálními technologiemi ......................................... 21 2.5.1 Primární jednotka v podobě palivového článku ........................................................ 21 2.5.2 Primární jednotka s expanzní plynovou turbínou ...................................................... 22 2.5.3 Primární jednotka se Stirlingovým motorem ............................................................. 23 2.5.4Primární jednotka s tepelným čerpadlem .................................................................. 24 2.5.5 Primární jednotka s mikroturbínou ........................................................................... 26

2.10 Porovnání primárních jednotek....................................................................... 28 3. OBLASTI VYUŽITÍ KOGENERAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ......................................... 32 3.1 Tepelné zdroje centralizovaného zásobování teplem ....................................... 32 3.2 Kondenzační elektrárny s možností dodávky tepla ......................................... 33 3.3 Budovy a objekty občanské vybavenosti ........................................................... 33 3.3.1 Rodinné domy a menší komplexy obytných budov ................................................... 34 3.3.2 Hotely a penziony, vysokoškolské koleje ................................................................... 34 3.3.3 Nemocnice ................................................................................................................ 34 3.3.4 Administrativní budovy a školy ................................................................................. 35 3.3.5 Obchodní domy ......................................................................................................... 35 3.3.6 Bazény, rekreační a sportovní střediska .................................................................... 35

3.4 Průmyslové objekty ............................................................................................. 36 3.4.1 Chemický a papírenský průmysl ................................................................................ 36 3.4.2 Keramický a cementářský průmysl ............................................................................ 37 3.4.3 Potravinářský průmysl ............................................................................................... 37 3.4.4 Strojírenský průmysl .................................................................................................. 37

3.5 Čistírny odpadních vod ...................................................................................... 37 3.6 Spalovny komunálního odpadu ......................................................................... 38 3.7 Zemědělské a lesnické provozy .......................................................................... 38

2


4. HLAVNÍ PRVKY KOGENERAČNÍ JEDNOTKY ............................................... 39 4.1 Plynová trať ......................................................................................................... 39 4.2 Plynový motor...................................................................................................... 39 4.3 Generátor elektrické energie .............................................................................. 40 4.4 Výměníky tepla .................................................................................................... 41 4.4.1 Výměník primárního okruhu ..................................................................................... 41 4.4.2 Chladič oleje .............................................................................................................. 42 4.4.3 Spalinový výměník ..................................................................................................... 42 4.4.4 Chladič plnící směsi (tzv. mezichladič) ....................................................................... 42

4.5 Odvod spalin ........................................................................................................ 43 4.6 Chlazení................................................................................................................ 43 4.7 Prostředky ke snížení hluku ............................................................................... 44 B. PRAKTICKÁ ČÁST ................................................................................................ 45 1. DIMENZOVÁNÍ VÝKONU KOGENERAČNÍ JEDNOTKY ............................. 45 2.NÁVRH KOGENERAČNÍ JEDNOTKY ................................................................ 47 2.1 Vstupní informace ............................................................................................... 47 2.1.1 Elektrická energie ...................................................................................................... 47 2.1.2 Tepelná energie ......................................................................................................... 49 2.1.3 Klimatická data .......................................................................................................... 52

2.2 Volba velikosti kogenerační jednotky ............................................................... 53 2.3 Optimalizace kogeneračního sytému ................................................................. 54 2.3.1 Optimalizované varianty ........................................................................................... 55 2.3.2 Cento T180 ................................................................................................................ 55 2.3.3 Cento T200 v provozním režimu bez nočního útlumu ............................................... 58 2.3. 4 Cento T200 v provozním režimu s nočním útlumem ................................................ 61

3


2.4 Základní technické parametry jednotky Cento T200 ...................................... 64 2.4.1 Generátor .................................................................................................................. 64 2.4.2 Motor ........................................................................................................................ 65 2.4.3 Tepelný systém.......................................................................................................... 65 2.4.4 Palivo, přívod plynu ................................................................................................... 67 2.4.5 Spalovací a větrací vzduch ......................................................................................... 68 2.4.6 Odvod spalin a kondenzátu ....................................................................................... 68 2.4.7 Hlukové parametry .................................................................................................... 68 2.4.8 Elektrické parametry ................................................................................................. 69 2.4.9 Řídící systém .............................................................................................................. 69 2.4.10 Rozměry a hmotnost jednotky ................................................................................ 69

3. EKONOMIKA INSTALACE A PROVOZU KOGENERAČNÍ JEDNOTKY .. 71 3.1 Ceny komodit ....................................................................................................... 71 3.1.1 Elektrická energie ...................................................................................................... 71 3.1.2 Tepelná energie ......................................................................................................... 75 3.1.3 Zemní plyn ................................................................................................................. 75

3.2 Náklady na pořízení kogenerační jednotky ...................................................... 76 3.2.1 Pořizovací cena .......................................................................................................... 76 3.2.2 Ostatní technologie ................................................................................................... 76 3.2.3 Stavební úpravy ......................................................................................................... 76 3.2.4 Projekční činnost ....................................................................................................... 76

3.3 Provozní a ostatní náklady kogenerační jednotky ........................................... 77 3.3.1 Údržba kogenerační jednotky .................................................................................... 77 3.3.2 Údržba ostatní technologie ....................................................................................... 77 3.3.3 Údržba stavební části ................................................................................................ 77 3.3.4 Splátky úroků............................................................................................................. 77 3.3.5 Pojištění ..................................................................................................................... 78 3.3.6 Výrobní režie ............................................................................................................. 78 3.3.7 Platby z výroby elektrické energie ............................................................................. 78

4


3.4 Výše podpory za KVET a výkupní cena elektrické energie ............................ 79 3.4.1 Výše podpory za KVET ............................................................................................... 80 3.4.2 Výkupní cena elektrické energie ................................................................................ 82

3.5 Dosavadní platby ................................................................................................. 82 3.6 Návratnost investice ............................................................................................ 83 3.6.1 Výpočet prosté návratnosti ....................................................................................... 84 3.6.2 Návratnosti zbývajících porovnávaných jednotek ..................................................... 86

4. ZÁVĚR ....................................................................................................................... 87 C. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ................................................................................... 88 Seznam použité literatury....................................................................................... 112 Seznam použitých zkratek...................................................................................... 114 Seznam tabulek........................................................................................................ 114 Seznam obrázků ...................................................................................................... 115 Seznam grafů ........................................................................................................... 116 Seznam příloh .......................................................................................................... 117

5

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část

A. TEORETICKÁ ČÁST 1. ÚVOD Kogenerace neboli kombinovaná výroba elektrické energie a tepla je v současné době pojem, o kterém hovoří nejeden provozovatel elektrárenského zařízení. Jde totiž o technologii, spojující výrobu elektrické energie společně s energií tepelnou. Teplo, které je v kondenzačních elektrárnách bez užitku odevzdáno v chladicích věžích, se u kogeneračního procesu využívá. Uplatnění nachází převážně u ohřevů vody, jak topné tak i teplé ale také u technologických procesů nebo při výrobě páry. Tímto způsobem lze zefektivnit výrobu elektrické energie, šetřit primární zdroje a také životní prostředí. Z těchto důvodu je kogenerace součástí evropské směrnice o energetické účinnosti. S dalším rozvojem a podporou kogenerace je počítáno také ve státní energetické koncepci. Aktuální ceny elektrické energie a paliv v České republice vyžadují ekonomickou podporu pro provozovatele kogeneračních zařízení. Ministerstvo průmyslu a obchodu, stejně jako Energetický regulační úřad pracují na stanovení konkrétních cílů v podílech na výrobě elektřiny a její následné podpoře (forma, výše, stabilita). Do decentrálních zdrojů elektrické energie lze zařadit i malou a střední kogeneraci. Tyto zdroje nabízejí mnoho výhod jako např. plánovaný provoz a možnost volby provozního režimu. I přes tyto výhody se spíše setkáváme s negativními postoji k zapojování těchto zdrojů do distribučních soustav. [1]

1.1 Elektrická a tepelná energie Elektrická a tepelná energie jsou různé druhy energií, které od sebe rozlišuje nejen odlišný způsob výroby a jeho finanční nákladnost ale také možnosti jejich uplatnění v každodenním životě člověka. Výroba elektrické energie se provádí mnoha způsoby. Nejčastější způsob výroby elektrické energie je transformací tepelné energie uvolněné při spalovacím procesu v elektrárnách. Nejrozšířenější druh elektráren jsou uhelné parní, které tvoří základ naší

6

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část energetické soustavy. Dalšími druhy elektráren mohou být paroplynové, spalující zemní plyn, elektrárny jaderné, kde zdrojem tepla je jaderný reaktor, ve kterém se štěpí jádra uranu 235. Dalším druhem elektráren je soubor elektráren pracující s tzv. obnovitelnými zdroji energie. To mohou být elektrárny vodní, větrné a také solární. Společným jevem těchto elektráren (vyjma těch, které pracující s obnovitelnými zdroji energie) je, že podstatná část tepelné energie je vypuštěna do atmosféry za doprovodu škodlivých látek ničících životní prostředí. Tepelná energie již není tak kvalitní jako energie elektrická a to především z důvodu jejího omezeného použití a také technicky náročnější úpravou na kvalitnější druh energie. Na druhé straně musíme ocenit její poměrně jednoduchou a levnou výrobu v podobě teplotně nízkopotencionální horké nebo teplé vody. Tato vlastnost iniciuje investory a provozovatele elektrárenských zařízení k využívání odpadního tepla pro výrobu teplé vody, ať už pro potřeby vytápění nebo jako zdroj tepla pro výrobu teplé vody. Jako měrnou jednotku lze pro elektrickou i tepelnou energii používat jeden Joul (J) nebo jeho násobky (kJ, MJ, GJ). Z historických a praktických důvodů se však pro vyjádření množství elektrické energie více používají vedlejší jednotky – kilowatthodina (kWh), megawatthodina (MWh). Převodní vztah mezi Jouly a Watthodinami je následující 3 600 J = 1 Wh. Výkon neboli tok energie za jednotku času lze vyjádřit stejnými jednotkami – kW, MW. Je vhodné tyto jednotky doplňovat výstižnými symboly, vyjadřujícími druh energie. Pro energii elektrickou se vžilo označení výkonu kWe a pro energii tepelnou označení kWt. Symbolem vyjadřující elektrickou i tepelnou energii je písmeno Q, které může být doplněno vhodným indexem. Symbol označující elektrický výkon je obvykle P a tepelný výkon obvykle Q. Tohoto značení se budeme držet v celé diplomové práci. [2]

1.2 Princip kogenerace Celá problematika kogenerace je založená na jednoduché myšlence sloučit výrobu elektrické a tepelné energie do jednoho procesu. Tento proces probíhá v tzv. kogeneračních jednotkách. Ty pracují tak, že pára vyrobená například v plynovém kotli 7

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část vstupuje do turbíny, kde otáčí jejími lopatkami. Tyto lopatky turbíny následně roztočí generátor, který vyrábí elektrickou energii. Po průchodu páry generátorem, kde předala část své energie neodchází do chladících věží, v nichž by zkondenzovala bez následného užitku na vodu, jak tomu bývá u většiny standardních elektráren, ale pokračuje do výměníkové stanice, kde předá zbytek své tepelné energie. Odtud teplo odchází ke spotřebiteli v síti centralizovaného zásobování teplem. Toto teplo lze využít pro vytápění nebo pro ohřev teplé vody. [4]

Obr. A 1 - 1: Blokové schéma kogenerační jednotky [5]

1.3 Výhody využívání kogenerace 1.3.1 Energetický přínos kogenerace Energetický přínos kogenerace je založen na efektivním využívání primárních energetických zdrojů. Sloučením výroby elektrické energie a tepla lze zvýšit účinnost zdroje při výrobě těchto energií. Můžeme rovněž říci, že ekologické dopady takovéto výroby budou nižší oproti samostatné výrobě tepla a elektrické energie. Hlavním energetickým přínosem kogenerace je efektivní využívání „odpadního“ tepla při výrobě elektrické energie. Toto teplo by za normálních okolností, bez použití kogenerační jednotky, muselo být vyrobeno dalším energetickým zdrojem (nejčastěji to bývá plynový kotel).

8

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Úspora paliva je patrná na obrázku A 1-2, kde je znázorněno množství primární energie, které musíme dodat zdroji pro výrobu 2 kWh tepla a 1 kWh elektřiny. Z uvedeného obrázku lze také vyčíst obvyklé účinnosti jednotlivých zdrojů. Při oddělené výrobě elektřiny a tepla je obvyklá účinnost elektrického zdroje okolo 35%, a tepelného okolo 85%. Celková účinnost je tedy pouze kolem 60%. Při kombinované výrobě elektrické energie a tepla se celková účinnost pohybuje kolem 80–90%. Z obrázku je tedy patrné, že použitím technologie KVET lze ušetřit až 40% z energie paliva. [2]

Obr. A 1 - 2: Úspora energií pomocí kogenerace [6]

Matematické vyjádření energetického přínosu kogenerace Energetický přínos kogenerace lze jednoduše vyjádřit pomocí matematických vztahů. Tyto vztahy jsou vyjádřeny ve stejných měrných jednotkách – např. – GJ [2] ·

Množství energie potřebné pro výrobu elektřiny v kondenzační elektrárně: ܳ௘௟ ൌ

‫ܧ‬ ߟ௘௟ 9

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část ·

Množství energie potřebné pro výrobu tepla ve výtopně: ܳ௩ý௧ ൌ

·

Množství energie potřebné pro výrobu tepla a elektřiny v kogenerační jednotce: ܳ௞௝ ൌ

·

ܳ ߟ௩ý௧

ܳ൅‫ܧ‬ ߟ௞௝

Celková tepelná účinnost zdroje za předpokladu, že kogenerační jednotka má stejnou účinnost jako výtopna: ߟ௧௖ ൌ

·

ܳ൅‫ܧ‬ ܳ௣௔௟

Úspora tepla z paliva, při sdružené výrobě elektrické energie a tepla: ܳ௨ ൌ

ܳ ܳ൅‫ܧ‬ ‫ܧ‬ ൅ െ ߟ௞௝ ߟ௘௟ ߟ௩ý௧

za předpokladu, že účinnost výtopny je stejná jako kogenerační jednotky, lze teplo uspořené v palivu vztažené na jednotku tepla dodaného spotřebiteli vypočítat následovně: ܳ௨ ‫ܧ‬ ͳ ͳ ൌ ήቆ െ ቇ ‫ߟ ܩ‬௘௟ ߟ௞௝ ܳ

V tomto vztahu se objevuje jeden z nejdůležitějších parametrů kogenerační jednotky, který je nazýván nejčastěji jako teplárenský modul. Ten vyjadřuje poměr mezi množstvím vyrobené elektřiny a tepla. Tyto vztahy jsou vyjádřeny ve stejných měrných jednotkách – např. – GJ Pokud bychom nepředpokládali stejnou účinnost kogenerační jednotky a výtopny, existuje obecný vztah pro výpočet relativní úspory tepla: ܳ௨ ͳ ͳ ͳ ͳ ൌቆ െ ቇ݁ ή ቆ െ ቇ ܳ ߟ௩ý௧ ߟ௞௝ ߟ௘௟ ߟ௞௝ 10

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Kde: ܳ௘௟

množství energie potřebné pro výrobu elektřiny v kondenzační elektrárně [GJ]

ܳ௞௝

množství energie potřebné pro výrobu elektřiny a tepla v kogen. jednotce [GJ]

ܳ௩ý௧

ܳ௣௔௟

ܳ௨

‫ܧ‬

ܳ

ߟ௘௟

ߟ௩ý௧

ߟ௞௝

ߟ௧௖

݁

množství energie potřebné pro výrobu tepla ve výtopně [GJ]

množství energie v palivu [GJ] množství úspory tepla z paliva [GJ] množství vyrobené elektrické energie [GJ] množství vyrobené tepelné energie [GJ] účinnost kondenzační elektrárny [-] účinnost výtopny [-] účinnost kogenerační jednotky [-] celková tepelná účinnost obecného zdroje [-] teplárenský modul [-]

1.3.2 Úspora nákladů na nákup energie Provozovatel získá ze stejného množství dodaného paliva přibližně dvojnásobek energie. Pokud všechnu tuto energii nedokáže spotřebovat, může ji odprodávat a tím opět snižovat vlastní náklady. 1.3.3 Minimalizace nákladů na rozvod energie Decentralizací zdroje tepelné i elektrické energie snížíme náklady na jejich zbudování a hlavně potlačíme ztráty vznikající v těchto dálkových rozvodech. Teplo vznikající provozem kogenerační jednotky lze využívat například pro vytápění budov, popř. pouze určitých místností, ohřevu teplé vody nebo k výrobě technologického tepla. 1.3.4 Ekologický způsob výroby Množství vypouštěných škodlivých látek do ovzduší vznikající chodem spalovacího motoru, jsou přibližně o polovinu nižší, než v případě, kdybychom tyto energie vyráběli odděleně.

11

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část 1.3.5 Energie pro případ nouze Vhodným provozním zapojením kogenerační jednotky (tzv. ostrovní provoz) lze tuto jednotku využívat jako náhradní zdroj elektrické energie v místech její nepřetržité potřeby. 1.3.6 Výroba chladu V případě vysokých přebytků tepla v letním období je vhodné uvažovat o osazení absorpčního výměníku. Ten dokáže přeměnit přebytečné teplo na chlad. Tento chlad lze využít například pro klimatizaci nebo pro technologické účely. Pokud kogenerační jednotku osadíme absorpčním výměníkem a vyrábíme zároveň elektrickou energii, teplo i chlad, hovoříme o tzv. trigeneraci. [6]

1.4 Nevýhody využívání kogenerace 1.4.1 Pořizovací náklady Hlavní problém, který může investory a budoucí provozovatele odradit od pořízení kogenerační jednotky je vysoká pořizovací cena, která musí být většinou jednorázově uhrazena buďto z vlastních zdrojů nebo např. pomocí úvěru před uvedením jednotky do provozu. 1.4.2 Doba provozu Jelikož kogenerační jednotka vyrábí zároveň s energií elektrickou také tepelnou, může se stávat, že v letních měsících jednotka buďto nejede nebo jede na nižší výkon a v nejhorším případě teplo z jednotky odchází nevyužito. Tyto jevy působí negativně na dobu provozu, která je stěžejním parametrem při výpočtu návratnosti investice. Aby byla jednotka co nejdříve splacena musí mít vysoký počet hodin, kdy bude v provozu. V opačném případě může být provoz jednotky ztrátový i s možností, že se tato investice nikdy nevrátí.

12

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část 1.4.3 Současná výroba elektrické a tepelné energie Díky vzájemné vazbě výroby elektrické energie a tepla není možno zcela libovolně a nezávisle měnit tento poměr vyrobené elektřiny a tepla. Jinak řečeno, změna odběru jedné formy energie vyvolá změnu výroby té druhé. Velikost tohoto poměru a jeho přestavitelnost závisí na typu a konkrétních parametrech kogenerační jednotky. [10]

1.5 Přehled kogeneračních technologií a jejich parametry Kogenerační technologie lze rozdělit dle oblastí, které budou dodávat teplo následovně: ·

kogenerační technologie vlastněné fyzickými osobami,

·

závodní (průmyslové) tepelné centrály,

·

veřejné tepelné centrály,

·

ostatní.

Tab. A 1 - 1 Základní technické údaje kogeneračních technologií [7] pohon Odběrová parní turbína Protitlaká parní turbína Parní motor Organický cyklus - ORC Stirlingův motor Spalovací turbína Paroplynový cyklus Pístový spalovací motor

palivo

pevná, kapalná i plynná paliva

zemní plyn, LTO, bioplyn

výkonový rozsah [kW]

elektrická účinnost [%]

celková účinnost [%]

forma tepla

3-300

10 - 30

78 - 88

NT pára, horká voda

0,1-100

7 - 20

75 - 88

NT pára, horká voda

0,02 - 3

10 - 25

70 - 80

teplá voda

0,03 - 7

5 - 22

75 - 90

teplá a horká voda

0,001 - 0,07

20 - 40

70 - 85

teplá voda

0,05 - 250

25 - 48

75 - 90

VT a NT pára, horká voda

10-400

35 - 60

80 - 90

VT a NT pára, horká voda

0,001 -10

25 - 45

75 - 92

NT pára, teplá a horká voda

13


1.6 Kogenerační systémy Kogenerační systémy rozdělují kogenerační jednotky spolu s dopravou a spotřebou vyrobených energií do dvou základních skupin. Skupiny se od sebe liší pořadím využívání produkovaných energií, a to na: ·

horní kogenerační systémy,

·

dolní kogenerační systémy.

Horní kogenerační systémy jsou charakteristické tím, že nejprve se vyrábí energie tepelná a následně energie elektrická. Typická aplikace je u technologických procesů, např. v ocelářských nebo sklářských pecích nebo také při výrobě cementu. V těchto případech se teplo primárně používá pro technologické účely a poté je následně přiváděno do energetického zařízení (tepelný motor), kde se transformací technické práce (mechanické energie) v elektrických generátorech vyrábí elektrická energie. Odvedené teplo z tepelného oběhu lze buď dále využívat pro další tepelné účely, nebo ho můžeme považovat za ztrátu vzniklou při transformaci. Dolní kogenerační systémy pracují na opačném principu. Prioritní u tohoto systému je výroba elektrické energie. Pro výrobu energie tepelné se využívá „odpadního“ tepla z tepelného oběhu. Horní kogenerační systémy se používají daleko méně z důvodu vysoké vstupní teploty přiváděné do tepelného oběhu, která je potřebná pro efektivní zisk technické práce a následné výroby elektrické energie. [3]

Obr. A Obr. 1 - 3: A 1Rozdělení - 3: Rozdělení kogeneračních kogeneračních systémů systémů [3] [3]

14


2. DRUHY KOGENERAČNÍCH ZAŘÍZENÍ Na trhu se objevuje velké množství kogeneračních zařízení, které se liší svými parametry. Ty následně určují vhodnost nasazení kogenerační jednotky do dané aplikace. Jeden z nejdůležitějších parametrů kogenerační jednotky je způsob, jakým získávají energii pro pohon elektrického generátoru. Tato energie je vyvíjena v tzv. primární jednotce. Dle typu primární jednotky dělíme kogenerační zařízení takto: ·

s parní turbínou,

·

s plynovou turbínou,

·

s plynovou turbínou v paroplynovém provedení,

·

s pístovým spalovacím motorem,

·

speciální technologie.

2.1 Kogenerace s parní turbínou Je nejčastěji využívanou technologií především v průmyslu a stává se tak klasickým teplárenským způsobem kogenerace. Zařízení pracuje tak, že parní kotel vyrábí přehřátou páru, která je využívána pro pohon protitlaké nebo odběrové turbíny. Turbíny poté zajišťují pohon elektrického generátoru (obr. 2-1, obr. 2-2). Na rozdíl od kondenzačních elektráren, které teplo maří v chladicích věžích, je zde expanze páry ukončena ve chvíli, kdy má ještě potenciál pro využití své teploty a tlaku k vytápění nebo pro účely technologických potřeb. Aby teplota páry vycházela alespoň na 110°C, je zapotřebí volit protitlak od hodnoty 0,15 MPa a výše. Teplárna s touto technologií vyrábí méně elektřiny, ale tento nedostatek je kompenzován vyšší celkovou účinností, do které je zahrnuto i vyrobené teplo. Kogenerační zařízení s touto primární jednotku je vhodné aplikovat nejčastěji v technologických procesech. Lze ho také využívat pro vytápění, nicméně zde se obvykle zařazuje výměník tepla (kondenzátor), který předává energii z páry do horkovodní rozvodné soustavy. Vzhledem k vysokým investičním nákladům, se nedoporučuje využívat tuto technologii pro malé zdroje s nízkými parametry páry.

15

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Nejlepších ekonomických výsledků dosahujeme u jednotek s velmi vysokými výkony, kde lze použít kotle pro spalování levného uhlí. [10]

Legenda: 1 - parní kotel 2 - parní turbína 3 - napájecí nádrž 4 - ohřívač topné vody 5 - spotřebič tepla

Obr. A 2 - 1: Schéma kogenerace s parní protitlakou turbínou [2]

Legenda: 1 - parní kotel 2 - parní turbína 3 - napájecí nádrž 4 - ohřívač topné vody 5 - spotřebič tepla 6 - kondenzátor 7 - chladící věž

Obr. A 2 - 2: Schéma kogenerace s parní kondenzační turbínou [2]

2.2 Kogenerace s plynovou turbínou Palivem je zde nejčastěji zemní plyn, který je za vysokého tlaku spalován ve spalovací komoře. Spaliny vznikající hořením proudí vysokou rychlostí do plynové turbíny, kde

16

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část se jejich tlaková energie transformuje na energii mechanickou (Obr. 2-3). Tato energie se využívá jednak pro pohon turbokompresoru, který je nezbytný pro stlačování spalovacího vzduchu, ale také pro pohon elektrického generátoru. Jak turbokompresor, tak také elektrický generátor jsou umístěny na jedné hřídeli společně s parní turbínou. Spaliny expandující v turbíně se dají velmi vhodně využívat pro další použití. To je umožněno dostatečným tlakem i teplotou, která dosahuje mnohdy teploty nad 500°C. Využití lze nalézt například pro výrobu horké vody nebo páry pro vytápění, páru pro technologické účely nebo přehřátou páru pro pohon parní turbíny. Abychom mohli plynovou turbínu takto využívat, je zapotřebí za ni zapojit do okruhu také kotel na odpadní teplo. [10] Legenda: 1 - spalovací turbína 2 - kotel na odpadní teplo 3 - spotřebič tepla

Obr. A 2 - 3: Schéma kogenerace se spalovací turbínou [2]

2.3 Paroplynová zařízení Varianta, kdy pomocí plynové turbíny a kotle na odpadní teplo vyrábíme páru pro pohon parní turbíny se označuje jako paroplynové zařízení. Takovéto zařízení představuje jeden z nejefektivnějších způsobů výroby elektřiny s dosahovanou účinností přes 60%. Při zapojení teplárenské parní turbíny lze provozovat paroplynovou jednotku jako kogenerační s vyšší celkovou účinností. Investiční náklady na vybudování a provoz paroplynové jednotky ji předurčují k použití ve větších tepelných centrálách s výkonem v desítkách MW. I přes tyto velké investiční náklady roste popularita tohoto zařízení nejen u nás ale také ve světě. [10]

17


Legenda: 1 - spalovací turbína 2 - parní turbína 3 - spalinový kotel 4 - spotřebič tepla (horké vody) 5 - spotřebič tepla (páry)

Obr. A 2 - 4: Schéma kogenerace se spalovací turbínou v paroplynovém provedení [2]

2.4 Kogenerace s pístovými spalovacími motory Tento typ kogeneračního zařízení používá jako primární jednotku spalovací motor. Primární jednotka je tvořena pístovým motorem s vnitřním spalováním téměř shodným s klasickými spalovacími motory používanými např. u automobilové nebo trakční dopravy. Uplatňují se 2 typy motorů, které se dělí dle způsobu zapálení směsi vzduchu a paliva ve válci. Motory tedy dělíme na: ·

vznětové motory

·

zážehové motory

U vznětových motorů dochází k zapálení směsi samovznícením paliva při kontaktu s horkým vzduchem. Tento typ motoru disponuje účinností mezi 35 až 45%. Maximální výkon se pohybuje okolo 25 MW. Zapálením směsi u zážehových motorů dochází přes elektrickou jiskru. Účinnost těchto motorů je jen o málo nižší než u vznětových a pohybuje se okolo 27 až 43%. Aby mohl být použit spalovací motor v kogenerační jednotce, musí dojít k jeho úpravě na zemní plyn. Takto lze upravit jak motory vznětové, tak i zážehové. Úprava se nejčastěji týká palivového systému a spalovacího prostoru.

18

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Nutným opatřením u spalovacích motorů je jejich umístění na podložku tlumící vzniklé vibrace. Také se musí vyřešit problematika celkem vysoké hlučnosti. Ta se nejčastěji řeší protihlukovým krytem. Další problematickou oblastí je mazání třecích ploch. Vzhledem vysoké obtížnosti dochází k rychlejšímu opotřebení a častějším odstávkám. Jedním z nejvhodnějších způsobů využití spalovacího motoru je jeho nasazení v teplárenství, jelikož při pohonu elektrického generátoru, motor produkuje velké množství odpadního tepla. Toto teplo vzniká při chlazení motoru (bloky válců a hlavy motoru), dále při chlazení mazacího okruhu a v neposlední řadě se toto odpadní teplo vyskytuje i ve spalinách. Chlazení oleje je prováděno tzv. vodním chladicím okruhem, který olej chladí a tím pádem přebírá jeho tepelnou energii do sebe. Tato již topná voda může dosahovat teploty až kolem 80°C. Zapojíme-li do okruhu také speciální výměník pro odběr tepla z chlazení bloku motoru a hlav válců, je možné dosáhnout teploty topné vody 100 až 110°C. Takto vysokých teplo lze ovšem dosáhnout jen v případě, že je topný okruh proveden jako tlakový. Výhodnější řešení, vzhledem k tlakovým poměrům v primárním chladícím okruhu je spokojit se s teplotou okolo 90°C. Pokud je dán požadavek na výrobu tlakové vody o teplotě nad 100°C nebo na výrobu páry, je vhodné to provádět ve výměníku využívající teplo spalin, které dosahují teplot mezi 400 až 540°C. Nejčastější způsoby využití tepla ze spalovacích motorů jsou následující: ·

ohřev sekundární otopné vody při teplotním spádu 90/70°C,

·

u moderních primárních tepelných sítí s nízkými teplotami otopné vody a kvantitativní regulací,

·

ohřev primární vody na teploty 110 až 130°C,

·

výroba páry o nižším tlaku,

·

kombinace sušení výfukovými spalinami a přímý ohřev TV

·

předehřev napájecí vody parních kotlů,

·

chladící zařízení,

·

paroplynová zařízení

·

a další…

19

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Nejvýhodnějším využitím odpadního tepla motorů je první varianta, kdy odpadním teplem ohříváme sekundární okruh vody na vytápění s přívodní teplotou 90°C. Výroba páry se potýká s jistými technickými potížemi a vyplácí se většinou pouze v případech, kdy je dán požadavek na současnou dodávku tepla v páře i v teplé vodě. V takovémto případě je topná voda vyráběna z tepla bloků motorů, hlav válců nebo turbodmychadla a pára se vyrábí díky teplu výfukových plynů. Tlak páry musí respektovat požadavek na dostatečné vychlazení spalin a proto nemůže být příliš vysoký. Tento požadavek lze obejít vložením dalšího výměníku do spalinové cesty, který může spaliny vychlazovat a získaným teplem ohřívat například teplou vodu. Toto řešení se aplikuje pouze u zařízení s vyššími výkony. [2]

a) dodávka tepla ve formě teplé nebo

b) dodávka tepla ve formě horké vody a

horké vody

páry

Legenda: 1 - spalovací motor

7 - parní kotel

2 - elektrický generátor

8 - spalinový ohřívák topné vody

3 - kompresor turbodmychadla

9 - okruh topné vody

4 - turbína turbodmychadla

10 - spotřebič páry

5 - okruh chlazení oleje a bloku válců motoru s ohříváky topné vody

A - přívod paliva B - přívod vzduchu

6 - chladič stlačeného vzduchu

C - odvod spalin

Obr. A 2 - 5: Schéma kogenerace se spalovacími motory [2]

20


2.5 Kogenerační zařízení se speciálními technologiemi Do této kategorie spadají primární jednotky, u kterých probíhá v současné době výzkum a jejich rozšíření není u nás ani ve světě příliš aplikováno. Tato zařízení bývají osazeny primárními jednotkami v podobě: ·

palivového článku,

·

expanzní plynové turbíny,

·

Stirlingova motoru,

·

tepelného čerpadla,

·

mikroturbíny.

2.5.1 Primární jednotka v podobě palivového článku Palivovým článkem rozumíme galvanický článek, který je schopen přímé přeměny energie obsažené v palivu na elektrickou energii. Zdrojem paliva je nejčastěji vodík, který ve spolupráci se vzdušným kyslíkem a elektrolytem může exotermním procesem vyrábět elektrickou energii přímo. Odpadním produktem palivových článků je voda popř. její pára. Proces probíhá tak, že na porézní anodě pokryté vrstvou katalyzátoru je štěpen vodík na protony a neutrony. Vzniklé protony procházejí elektrolytem ke katodě, která je rovněž pokrytá katalyzátorem a tam reagují s adsorbovanými kyslíkovými atomy za vzniku vodní páry. Elektrony protékají elektricky vodivou anodou a uzavřeným okruhem jako elektrický proud. Palivové články lze rozdělit podle pracovní teploty a použitého elektrolytu do pěti skupin, ale pouze tři z nich jsou vhodné pro uplatnění v kogeneračních jednotkách. Jsou to: ·

PAFC (Phosporic Acid Fuel Cells) – zde je jako elektrolyt využit roztok kyseliny fosforečné. Pracovní teplota cca 200°C, účinnost okolo 50%.

·

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) – elektrolyt je zde tvořen tavenými uhličitany. Pracovní teplota cca 600°C, účinnost okolo 60%.

·

SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) – pracují s pevným elektrolytem keramickým materiálem na bázi ZrO2. Teplota 600 – 1 000°C, účinnost cca 60%. [2]

21


Obr. A 2 - 6: Schéma kogenerace s palivovými články [2]

2.5.2 Primární jednotka s expanzní plynovou turbínou Jedná se o zařízení s minimálními ekologickými dopady na životní prostředí. V tomto zařízení je elektrická energie vyráběna tak, že zemní plyn odebíraný s dálkových vysokotlakých plynovodů expanduje v expanzní turbíně. Ta se osazuje v místech regulačních stanic, kde tlak plynu přechází na hodnoty středo až nízkotlakých rozvodů. Osazením expanzní turbíny zamezíme také energetickým ztrátám, které vznikají pokud se tlak plynu reguluje redukčními armaturami. Tlak v těchto dálkových rozvodech se pohybuje mezi 2 až 7 MPa a teplota je podobná teplotě okolí ale při expanzi dále dochází ke snižování teploty plynu. Snížení teploty je úměrné vstupnímu a výstupnímu tlaku a také nesmí klesnout pod bod mrazu z důvodu namrzání potrubí a tvorby plynových kondenzátů. Proto je nutno zemní plyn ohřát před vstupem do expanzní turbíny (tento ohřev probíhá i v případě použití redukčních ventilů) externím zdrojem tepla. Ohřev plynu před expanzí je důležitou součástí celé technologie a může být proveden následujícími způsoby: ·

horkou vodou připravenou mnohými způsoby (kotel, tepelné čerpadlo…),

·

parou odebíranou z protitlaku nebo odběru turbíny,

·

výfukovými spalinami,

·

odpadním teplem spalovacího motoru. [2]

22


a) horkovodním kotlem

b) spalovacím motorem

Legenda: 1 - expanzní turbína s generátorem

4 - redukční armatura

2 - horkovodní kotel / spalovací motor s generátorem

5 - VT plynovod 6 - NT plynovod

3 - výměník plyn - voda Obr. A 2 - 7: Schémata obvyklého ohřevu zemního plynu před expanzí [2]

2.5.3 Primární jednotka se Stirlingovým motorem Téměř zapomenutý typ motoru našel své největší uplatnění u stacionárních zdrojů, kterými mohou být také kogenerační jednotky. Motor má 2 komory – chladnou a teplou, které jsou tvořeny dvěma válci, mezi kterými probíhá výměna pracovní látky. Hřídele jsou pootočené vůči sobě o 90° a otáčejí se synchronně. Jednotlivé polohy (1,2,3,4) a pracovní cyklus motoru je znázorněn na obr. 2.8. Cyklus začíná v poloze 1, kdy je levý píst v dolní poloze a zároveň objem levého válce je zcela zaplněn chladnou pracovní látkou. Pravý píst se nachází v polovině zdvihu a objem látky vyplňující válec je více než z poloviny vyplněn horkou pracovní látkou. Tento stav odpovídá bodu 1 v p-V diagramu, kdy pracovní látka vyplňuje přes 3/4 objemu válců a je spíše chladná. Aby se pracovní látka dostala do polohy 2, je zapotřebí, aby pravý píst přetlačil pracovní látku přes regenerátor a chladič, v němž se

23

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část předá teplo levému válci. Při tom dochází ke kompresi a v bodě 2 objem pracovní látky tvoří pouze 1/2 objemu levého válce. Při změně mezi body 2 a 3 je pracovní látka přemisťována zpět do pravé komory za konstantního objemu a navíc je ohřívákem ohřívaná na vyšší teplotu. Při změně polohy z 3 do 4 probíhá expanze, objem pracovní látky se zvětšuje, médium proudí do pravého válce přes ohřívák, který opět zvyšuje jeho teplotu. Tento děj ukončuje celý proces v poloze 4 a médium opět zaujímá 3/4 objemu obou válců a pracovní látka je přetlačena do levého válce při otáčení hřídelů mezi polohami 4 a 1. V průběhu celého cyklu se pracovní látce větší množství tepla dodá v ohříváku a menší množství se odvádí pomocí chladiče a výsledný rozdíl je odveden z motoru formou práce. Popsané děje jsou ideální, skutečné děje se mohou lišit. Jako pracovní látka se nejčastěji používá helium nebo vodík. Existuje mnoho typových řad Stirlingova motoru ale většina dosahuje parametru tlaku okolo 15 až 20 MPa, teploty 630 až 730°C a elektrická účinnost u motoru s jednotkovým výkonem mezi 8 až 25 kW se pohybuje v rozmezí 30 až 33%. Teplo pro topné účely se z jednotky odebírá přes chladič spalin z motoru. [2]

Obr. A 2 - 8: Princip práce Stirlingova motoru [2]

2.5.4 Primární jednotka s tepelným čerpadlem Skutečnost přechodu tepelných zdrojů z tuhých paliv na paliva plynná dává kogeneračním jednotkám velkou možnost uplatnění na trhu. Tato možnost je také dána vysokou ekologičností a poměrně dobrými ekonomickými ukazateli. Tyto ekonomické

24

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část ukazatele lze ještě zvýšit zařazením tepelného čerpadla. Jednou z podmínek ovšem je, že musí být k dispozici vhodný zdroj nízkopotencionálního tepla. Tepelné čerpadlo je zařízení, kterému když dodáme určitou doplňkovou energii, je schopno zvyšovat látkám tepelnou energii. Jako doplňková energie je zde myšlena práce kompresoru na elektrický nebo motorový pohon. Princip tepelného čerpadla je znázorněn na obr.2.9. Teplo je přiváděno do výparníku, v němž se pracovní látka odpaří. Syté páry pracovní látky jsou stlačeny kompresorem a následně vedeny do kondenzátoru. V kondenzátoru předá pracovní látka svou tepelnou energii do teplovodního okruhu a tím zkondenzuje. Aby se tlak pracovní látky shodoval s tlakem ve výparníku, musí pracovní látka projít přes škrticí ventil. Touto redukcí dojde k částečnému odpaření a pracovní látka vstupuje do výparníku ve stavu mokré páry a oběh se opakuje. Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo může být energie z vody, země nebo ze vzduchu.

Legenda: 1 - kompresor 2 - kondenzátor 3 - výparník 4 - škrticí ventil 5 - pohonná jednotka (motor) A - zdrojová voda B - topná voda

Obr. A 2 - 9: Zjednodušené schéma principu tepelného čerpadla [2]

Pokud bychom chtěli zapojit tepelné čerpadlo do technologie pro CZT, narazíme na určité komplikace. Je zde například požadavek, že teplota pracovní látky ve výparníku musí být menší než je teplota zdrojové vody a naopak teplota v kondenzátoru musí být větší než teplota ohřívané vody v CZT. Pokud budeme sledovat parametr topného faktoru, je pro jeho dostatečnou velikost dána podmínka, že rozdíl pracovních teplot 25

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část látky ve výparníku a v kondenzátoru musí být co nejmenší. Toho lze například dosáhnou, pokud teplota zdrojového média bude co nejvyšší (např. geotermální voda, plyn a další odpadní produkty z ČOV) a zároveň požadavek na teplotu otopné vody co nejnižší. Kvůli těmto omezením nachází tepelné čerpadlo uplatnění především v těchto aplikacích: ·

ohřev topné vody v nízkoteplotních sekundárních sítích,

·

předehřev topné vody v systémech s teplotami výstupní vody 70 až 110°C,

·

ohřev nebo předehřev teplé vody.

Ohřev topné vody může být zajištěn odpadním teplem ze spalovacího motoru. Při stejné teplotě topné vody z celého agregátu může být pro zvýšení topného faktoru a celého topného výkonu snížena teplota vody za kondenzátorem TČ oproti předchozímu případu. Schéma zapojení TČ na nízkoteplotní otopný systém je uveden na obr.2.10. Zdrojová voda se ochlazuje průchodem přes výparník na teplotu 10 až 15°C. Topná voda se v kondenzátoru ohřívá z teploty 40 až 45°C na teplotu 60 až 65°C. Další zvýšení je možno provést ve výměníku využívající teplo z motoru. [2]

Legenda: 1 - tepelné čerpadlo 2 - spalovací motor s výměníky pro využití odpadního tepla 3 - okruh topné vody A - zdrojová voda B - palivo

Obr. A 2 - 10: TČ s plynovým motorem využívané pro ohřev topné vody [2]

2.5.5 Primární jednotka s mikroturbínou Mikroturbíny jsou plynové turbíny malého výkonu ale s vysokými otáčkami, které přišly na trh po dlouhých výzkumných materiálových pracích. Turbína s generátorem

26

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část a kompresor mohou být umístěny buď společně na jedné hřídeli, nebo každý samostatně. Pokud tyto prvky osadíme na jednu hřídel, je nutno použít vysokofrekvenční generátor s následnou úpravou parametrů elektrické energie, protože mikroturbína pracuje s otáčkami kolem 100 000 ot./min. Pokud osadíme každý prvek samostatně dostáváme dvouhřídelové provedení, které ovšem obsahuje více rotačních částí. Na hřídelích v obou případech mohou být osazena olejová nebo vzduchová ložiska. U vzduchových ložisek odpadá olejové hospodářství turbíny. Jsou osazeny radiálním kompresorem a tím, že pracovní látka proudí v radiálním směru, dochází k úspoře místa, menším tepelným ztrátám a vyšší účinnosti. Celková účinnost se pohybuje mezi 65 až 85% ale při osazení spalinovým výměníkem klesá elektrická účinnost o cca 10 až 15%. Použitím spalinového výměníku pro předehřev spalovacího vzduchu (rekuperátor) se výrazně zvyšuje účinnost ale také snižuje teplota využitelná při dodávce tepla. Toto teplo může být využito například na: ·

ohřev teplé vody,

·

ohřev topné vody,

·

absorpční chlazení,

·

úpravu vzduchu,

·

technologické potřeby. [3]

Obr. A 2 - 11: Schéma kogenerační jednotky s mikroturbínou [3]

27


2.10 Porovnání primárních jednotek V této kapitole bud provedeno shrnutí a porovnání primárních jednotek. Uvedené údaje hrají klíčovou roli při volbě primární jednotky i volbě celé kogenerační technologie. Tab. A 2 - 1 Kogenerační jednotka s parní turbínou [3] Parní turbíny Výhody vysoká celková účinnost libovolný zdroj paliva velký výkonový rozsah schopnost pokrýt požadavky tepelné spotřeby při různých teplotách

Nevýhody nízký teplárenský modul vysoké náklady pomalý start

flexibilní teplárenský modul během provozu dlouhá životnost Možnosti uplatnění elektrické zatížení nad 250 kWE požadavek na páru o vysokých parametrech pro technologické účely existuje zdroj levného paliva i méně výhřevného u zdroje vysokopotencionálního tepla (spalovny odpadů, pece …) Tab. A 2 - 2 Kogenerační jednotka s plynovou turbínou [3] Plynové turbíny Výhody vysoká spolehlivost, která dovoluje nepřerušovaný chod

Nevýhody malý počet vyráběných výkonů ve výkonovém rozsahu

dodávka vysokopotencionálního tepla nižší mechanická účinnost rychlost otáček blízká požadované frekvenci spalování plynu při vysokém tlaku řízení elektrického výkonu vysoká hlučnost vhodný energetický poměr malá účinnost při nízkém zatížení není nutná chladící voda čisté a suché palivo variabilita paliv i jejich kombinace s růstem teploty klesá výkon nízké emise dlouhá doba nájezdu (0,5 - 2 hodiny) Možnosti uplatnění elektrické zatížení nad 1 MWE velká potřeba středo/vysokotlaké páry nebo vody o teplotě nad 140°C požadavek na horké plyny s teplotou nad 450°C

28

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Tab. A 2 - 3 Kogenerační jednotka s paroplynovým zařízením [3] Paroplynové zařízení Výhody (ve srovnání s parní turbínou) Nevýhody zvýšená výroba elektrické energie požadavek na kvalitní palivo vyšší provozní pružnost vysoká investiční cena menší zastavěná plocha hlučnost nižší celkové investiční výdaje snadnější optimalizace provozních režimů Možnosti uplatnění široká škála uplatnění dána variabilitou konstrukčního provedení požadovaným výstupem může být teplá i horká voda, pára o různých tlacích plynové teplárny, elektrárny s vysokými výkony Tab. A 2 - 4 Primární jednotka se spalovacím motorem [3] Spalovací motory Výhody vysoká účinnost relativně nízké investiční náklady široký výkonový rozsah možnost ostrovního režimu dobré sledování zátěže rychlý start použití více paliv opravy lze provádět na místě

Nevýhody musí být chlazeny i když se nevyužívá teplo hlučnost náklady na údržbu

Možnosti uplatnění potřeba energie je cyklická ale nepřetržitá požadavek na vodu o nízkých a středních parametrech nebo páru o nízkých parametrech elektrické zatížení nad 1 MWE Tab. A 2 - 5 Kogenerační jednotka s palivovým článkem [3] Palivové články Výhody nízké emise i hluk vysoká účinnost i flexibilita krátká doba výstavby variabilní energetický poměr

Nevýhody náklady doba životnosti dlouhá startovací doba korozivní účinky při použití tekutých elektrolytů Možnosti uplatnění požadavek na vysokou kvalitu zabezpečení energie výstup nízko i vysokopotencionálního tepla v závislosti na použitém článku

29

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Tab. A 2 - 6 Kogenerační jednotka s expanzní plynovou turbínou [3] Expanzní plynová turbína Výhody minimální energetické nároky ekologický zdroj variabilita použitého plynu snadná regulace výkonu

Nevýhody potřeba vysokotlakého rozvodu plynu nutnost dodané energie na ohřev plynu

Možnosti uplatnění v regulačních stanicích plynu Tab. A 2 - 7 Kogenerační jednotka se Stirlingovým motorem [3] Stirlingův motor Výhody (oproti mikrokogeneraci) není potřeba dodatečný zdroj tepla nezávislá výroba elektřiny na teple nízké emise jednoduché řízení modulové řešení

Nevýhody menší zkušenosti u nižších výkonů nízká mechanická účinnost u výkonů 3,5-8,5 kW vysoké investiční náklady hmotnost použití speciálních materiálů - cena Možnosti uplatnění

při požadavcích na nízký hluk při využití odpadového hospodářství (spalovny odpadu, ČOV...) mikrokogenerační jednotky Tab. A 2 - 8 Kogenerační jednotka s tepelným čerpadlem [3] Tepelné čerpadlo Výhody ekologický zdroj možnost výroby chladu nízká hlučnost

Nevýhody složité určení topného faktoru teplotní limity v pracovních látkách malý výběr TČ s plynovým spalovacím motorem Možnosti uplatnění

při požadavcích na nízký hluk pro využití nízkopotencionálního tepla výroba teplé nebo topné vody, chladu

30

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Tab. A 2 - 9 Kogenerační jednotka s mikroturbínou [3] Mikroturbíny Výhody vysoká spolehlivost malý počet rotujících částí jednoduchá instalace nízké náklady na údržbu malá hmotnost i hluk vysoká teplota spalin pro další využití

Nevýhody náklady

Možnosti uplatnění odběr tepelné energie při proměnlivém výkonu možnost dodávky elektrické energie do sítě pro dodávku teplé vody, topné vody, chladu, technologického tepla

31


3. OBLASTI VYUŽITÍ KOGENERAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Kogenerační technologie lze v současné době využívat pro velmi široký okruh jak fyzických, tak i právnických subjektů. Mezi fyzickými osobami se nejčastěji jedná o vlastníky větších rodinných domů, kteří kogenerací ušetří náklady za teplo a elektřinu. U právnických subjektů je oblast využití mnohem širší. Je to dáno výkonovým rozsahem kogenerační jednotky, který dokáže pokrýt potřeby elektřiny a tepla malé administrativní budovy nebo hotelu, ale zároveň najde své uplatnění i u teplárny nebo elektrárny o výkonu několika MW.

3.1 Tepelné zdroje centralizovaného zásobování teplem Centralizované zásobování teplem je pojem, kterým označujeme dodávku tepla pro vytápění a ohřev teplé vody, které probíhá v centralizované výtopně a ke konečným spotřebitelům je dodáváno dálkovými rozvody. Výkonový rozsah se pohybuje dle městské aglomerace, do které je teplo dodáváno. U menších sídlišť dosahuje několika MW a u velkých městských aglomerací se může pohybovat i řádu desítek MW. Vytápění probíhá okolo 250 dnů, kdy trvá otopná sezóna. Kvůli špičkového charakteru odběru tepla je doba maximálního tepelného výkonu jednotky okolo 2 000 hodin. Kogenerační zařízení se ovšem musí kvůli návratnosti navrhovat na nižší výkon a zbývající výkon je pokryt špičkovými kotli. Přijatelný výkon je okolo 30 – 40% maxima, kdy jednotka může být v provozu přibližně 3 500 až 4 000 hodin. Příprava teplé vody vyžaduje tepelný výkon 15 – 30% maximální potřeby a doba využití může přesahovat 6 000 hodin. Pro takovéto požadavky musí být kogenerační jednotka osazena s odpovídajícím výkonem a taky dostatečně vydatným zdrojem, nejčastěji zemním plynem. V ČR je v provozu velké množství centralizovaných zdrojů ať už ve formě tepláren nebo výtopen. Společným znakem těchto zdrojů je jejich palivo. Tím je obvykle hnědé nebo černé uhlí ale v poslední době přibývá zdrojů na zemní plyn. V teplárnách obvykle nacházejí uplatnění kogenerační jednotky s parní protitlakou i odběrovou kondenzační turbínou. Osazení kogeneračního zdroje do výtopny je vhodné pouze v případě, že palivem je zemní plyn nebo biomasa. V takovémto případě se nejčastěji setkáme

32

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část s kogenerační jednotkou se spalovacím motorem nebo turbínou. U největších soustav pak i s paroplynovým zařízením. Pro samostatný ohřev TV se většinou využívají menší spalovací motory. Po úpadku budování velkých sídlišť poklesla také poptávka po zdrojích centralizované dodávky tepla. Kogenerace má v tomto směru šanci k uplatnění pouze při rekonstrukci tohoto zařízení. Jako palivo se pro nové kogenerační zařízení využívá nejčastěji zemní plyn nebo biomasa. [2]

3.2 Kondenzační elektrárny s možností dodávky tepla Pokud se v blízkosti kondenzační elektrárny nachází objekt s vysokou potřebou tepla, jsou tímto vytvořeny ideální podmínky pro využití kogenerace. Už v dnešní době byla většina stávajících elektráren upravena tímto způsobem. Takto modifikovaná elektrárna dosahuje díky vysokým parametrům páry poměrně vysokého teplárenského modulu výroby elektrické energie. Obvyklý tepelný výkon se pohybuje okolo 3 000 MW. Z hlediska financování nejsou náročné přestavby elektráren na nový zdroj ale především budování dálkových rozvodů tepla, které bývají nejčastějším omezujícím faktorem. [2]

3.3 Budovy a objekty občanské vybavenosti Tyto objekty byly často přehlíženy z důvodu malých požadavků na výkon zdroje. V posledních letech se s nástupem kogeneračních jednotek se spalovacím motorem daří uspokojit i tuto skupinu objektů. Tato zařízení jsou souhrnně označována jako mikrokogenerační jednotky. Výkonový rozsah těchto jednotek je od 1 do 10 kW elektrické energie a tepelný výkon se pohybuje v rozmezí 5 až 30 kW. Pokud nehovoříme přímo o mikrokogeneračních jednotkách jsou výkony těchto jednotek přibližně o řád vyšší. Nejčastější uplatnění těchto jednotek je uvedeno v následujících odstavcích. [2]

33

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část 3.3.1 Rodinné domy a menší komplexy obytných budov Jedná se o objekty, které teplo využívají pro vytápění a ohřev teplé vody. Roční doba využití maximální potřeby tepla (vytápění) je poměrně malá a ještě menší je podíl potřeby elektrické a tepelné energie. V tomto případě o vhodnosti nasazení kogenerační jednotky nejvíce rozhoduje distributor elektrické energie, který stanoví výkupní cenu a tím i celkovou dobu návratnosti investice. Nejčastěji jsou jednotky osazeny spalovacími motory, ale začínají se na trhu objevovat i jednotky se Stirlingovým motorem nebo plynovou mikroturbínou. Ačkoliv těchto aplikací zatím není mnoho, do budoucna se předpokládá růst těchto zdrojů energie. [2] 3.3.2 Hotely a penziony, vysokoškolské koleje Při dostatečné kapacitě lůžek (cca 50) jsou hotely a penziony dalším vhodným místem instalace. Tyto objekty mají dostatečně velkou potřebu teplé vody, v případě klimatizace i vody chladící (zde se osazuje trigenerační jednotka), a to v průběhu celého roku. I potřeba elektřiny je dostatečně vysoká a rovnoměrně rozložena do celého dne. Místem spotřeby těchto energií bývají často sauny, bazény, prádelny atd. Jednotky zde nasazené mívají elektrický výkon v rozsahu 15 až 100 kW a obvykle bývají osazeny spalovacím motorem. Zpravidla není nutno počítat se zálohováním elektrické energie. Vysokoškolské koleje mívají také vysoké požadavky na dodávku tepla a elektrické energie, ale ta je využívána pouze v době školního roku. V období prázdnin poptávka po těchto energiích výrazně klesá. [2] 3.3.3 Nemocnice Osazením kogenerační jednotky lze v nemocnici nahradit velké množství zařízení pro výrobu tepla a teplé vody a také elektrické energie a v případě osazení trigenerační jednotky také zdroj chladu. Jednotku lze nastavit i na ostrovní provoz, takže v případě výpadku elektrické energie nahradí agregát pro výrobu elektřiny. Jednotku v nemocnicích lze provozovat po dlouhou dobu na hodnotě jmenovitého výkonu, protože potřeba energií je o víkendech a státních svátcích jen o něco málo nižší než ve

34

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část všední dny. Kvalifikaci pracovníků pro údržbu a provoz stávajících zařízení lze jednoduše využít i pro provoz kogeneračních jednotek. [2] 3.3.4 Administrativní budovy a školy Tato oblast je méně vhodná k nasazení kogenerační technologie z důvodu velkých přebytků tepla v letních měsících. Tato skutečnost jde opět vyřešit osazením absorpčního chlazení, které bude v létě klimatizovat budovy. Dalším negativem je omezení provozní doby přes víkendy a u škol také v období školních prázdnin. Limitujícím faktorem u těchto budov bývá potřeba elektrické energie. Při rozhodování o vhodnosti osazení jednotky hraje důležitou roli důkladně zpracovaná finanční rozvaha. I přes doposud malý počet osazených jednotek v těchto budovách lze předpokládat jejich postupné rozšiřování hlavně ve spojení spalovacího motoru s absorpčním chlazením. [2] 3.3.5 Obchodní domy Tyto objekty jsou naopak velmi vhodné pro osazení kogenerační (trigenerační) technologií. Je to především z důvodu značné potřeby tepla pro vytápění a klimatizaci a také velké spotřebě elektrické energie používané pro osvětlení, pohon ventilátorů, eskalátorů, provoz počítačů atd. [2] 3.3.6 Bazény, rekreační a sportovní střediska Další vhodná oblast pro uplatnění kogenerace. Opět zde můžeme počítat s velkými požadavky na teplo, které se využívá pro vytápění objektu, bazénové vody, vody ve sprchách. I požadavky na elektrickou energii jsou celkem vysoké. Zde se nejvíce uplatní v osvětlení, pohonu čerpadel vody v bazénech, ale třeba také v saunách. Požadavky na energie jsou v průběhu roku vysoké a relativně neměnné. Pro návrh jednotky osazené na bazéně je rozhodující spotřeba elektřiny za 14 až 16 hodin denního provozu bazénu. [2]

35


3.4 Průmyslové objekty O vhodnosti nasazení kogenerační technologie v průmyslovém podniku rozhoduje především oblast působení tohoto podniku. Nejčastějším zdrojem tepla v průmyslových podnicích byly nejčastěji výtopny nebo teplárny, které jako palivo používaly převážně uhlí. V současné době většina tepláren přechází na plynná paliva. Závodní teplárny jsou vybaveny nejčastěji protitlakými nebo kondenzačními turbínami s regulovaným odběrem páry ale přibývá tepláren se spalovacími motory nebo se spalovacími turbínami a to i v paroplynovém provedení. Nejvhodnějším typem objektu je závod s vícesměnným provozem, kde je zároveň velká poptávka po technologickém teple. Takovéto jednotky se dimenzují tak, aby v maximální možné míře byla elektrická energie spotřebována v podniku a zároveň i vyrobené teplo našlo dostatečné uplatnění. Jednotky se spalovacími motory lze uplatnit paralelním zapojením ke stávajícím plynovým kotlům, nebo sériově jako první stupeň ohřevu teplé, topné nebo technologické vody. Pokud je možné jednotku provozovat po dobu otopného období, je vhodné volit jednotky vyšších výkonů. V opačném případě je nutno uvážit celoroční potřebu teplé vody a provoz v otopném období. [2] 3.4.1 Chemický a papírenský průmysl Chemický průmysl lze považovat za vhodný pro osazení kogenerační jednotky, především se spalovacími motory. Je to dáno vysokou potřebou technologického tepla ve formě páry. Potřeba tepla bývá vysoká a zároveň rovnoměrně rozložená do celého dne i roku a je bez větších výkyvů. Výkyvy se mohou objevovat o víkendech a svátcích a v některých částech dne. Poměr potřeby elektrické energie k energii tepelné je střední až velký a také rovnoměrně rozložený do celého dne. [2] U papírenského průmyslu se setkáme s podobnými požadavky, jako u chemického průmyslu. Největší kotelny těchto podniků často disponují několika protitlakými parními turbínami. Z tohoto důvodu lze s výhodou využít jednotku se spalovací turbínou v paroplynovém provedení. [2]

36

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část 3.4.2 Keramický a cementářský průmysl Specifika tohoto průmyslu dovolují využívat teplo přímo ve formě spalin, což lze jednoduše zajistit osazením kogenerační jednotky se spalovacími turbínami. Jedná se tedy o vhodné odvětví průmyslu a to i z hlediska potřeby tepla, která bývá díky vícesměnnému provozu rovnoměrná a také potřeba elektřiny je dosti vysoká. [2] 3.4.3 Potravinářský průmysl Nejčastěji se zde uplatňují jednotky se spalovacími motory. Teplo se využívá především pro ohřevy, vaření i sušení. Také provoz bývá většinou vícesměnný. [2] 3.4.4 Strojírenský průmysl Na rozdíl od výše uvedených odvětví průmyslu se strojírenský průmysl zcela nehodí pro nasazení kogenerační technologie. Je to dáno nízkou potřebou tepla mimo otopné období, kdy jediným využitím bývá ohřev teplé vody. Oproti tomu potřeba elektrické energie bývá v těchto podnicích vysoká. Zároveň obvyklý jednosměnný provoz nemůže zajistit dobré ekonomické výsledky. Nejčastěji lze osadit kogenerační jednotku pouze na ohřev teplé vody a to především se spalovacím motorem. [2]

3.5 Čistírny odpadních vod Čistírny odpadních vod jsou jednoznačně nejvhodnější oblastí uplatnění kogenerační technologie. Často bývá kogenerační jednotka již součástí celého technologického cyklu čištění odpadních vod. Její vlastnosti lze uplatnit pro elektrický pohon technologických agregátů, teplo se využívá pro vyhřívání čistírenského kalu a navíc jako palivo pro jednotku lze využít kalový plyn, který je vedlejším produktem technologických procesů čištění odpadních vod. Z tohoto důvodu se nejčastěji uplatňují jednotky se spalovacími motory nebo turbínami. V současné době téměř všechny velkokapacitní čistírny disponují touto technologií. [2]

37


3.6 Spalovny komunálního odpadu Jedná se o zařízení využívající druhotné energetické zdroje. Bývají vybaveny parními kotli se speciálně upraveným spalovacím zařízením. Je žádoucí aby stávající kotle s nízkým tlakem páry byly předělány tak, aby bylo dosaženo vyšších parametrů páry (tlak okolo 4 MPa a teplota do 400°C). Investice do přídavného zařízení parního okruhu dosahují velmi příznivých ekonomických parametrů. Nejčastěji se zde uplatňují jednotky s protitlakými nebo odběrovými parními turbínami. [2]

3.7 Zemědělské a lesnické provozy Teplo vyrobené kogenerační jednotkou lze využít pro vytápění místností, přípravě teplé vody a také k technologickým účelům pro potřeby sušení. Toto teplo je v současné době nejčastěji získáváno spalováním uhlí, dřevního odpadu nebo zemního plynu v kotlích bez možností společné výroby s elektrickou energií. Potenciál mají moderní kogenerační technologie využívající ve velké míře biopaliva. Uplatní se parní turbíny malého výkonu, parní i spalovací motory. [2]

38


4. HLAVNÍ PRVKY KOGENERAČNÍ JEDNOTKY Každá kogenerační jednotka se skládá z motoru, který pohání generátor elektrické energie. Pokud se budeme zabývat kogenerační jednotkou se zážehovým motorem pro spalování plynu, důležitou částí je také sestava pro dodávku plynu. Dále jednotka obsahuje výměník pro chlazení motoru a další výměníky pro získávání tepla ze spalin. Jednotka také bývá vybavena protihlukovým krytem a neobejde se bez řídicího systému. [8]

4.1 Plynová trať Plynová trať zajišťuje přívod plynu k jednotce a jeho přípravu pro spalování v motoru. Osazené armatury zajišťují otevírání a zavírání přívodu plynu, regulaci tlaku plynu na hodnotu vhodnou pro přípravu spalovací směsi. Kogenerační jednotka s plynovým zážehovým motorem je připojena nejčastěji k nízkotlakému, popř. středotlakému rozvodu plynu. Nejčastěji používaným plynem je zemní plyn ale lze také s výhodou používat plyny vznikající v zemědělství a na čistírnách odpadních vod – bioplyn, na skládkách odpadů – skládkový plyn nebo lze využívat také dřevoplyn. Plynová trať začíná filtrem, pokračuje přes sestavu plynových ventilů k tzv. „nulovému“ regulátoru, který snižuje tlak plynu téměř na hodnotu atmosférického tlaku, který je vhodný pro směšování se vzduchem. Dále je trať osazena regulátorem bohatosti, po kterém následuje směšovač směsi plynu se vzduchem. Regulátor bohatosti lze nastavit buď manuálně na základě naměřené hodnoty analyzátorem spalin nebo je jeho činnost řízena automaticky v závislosti na měření bohatosti směsi plynu se vzduchem. [8]

4.2 Plynový motor Plynový motor lze považovat za nejdůležitější část kogenerační jednotky v ohledech provozních i ekonomických. Nejčastěji používaným motorem je plynový spalovací motor. Mimo tyto motory lze využívat motory zážehové nebo motory vznětové, primárně určeného pro spalování nafty, které jsou konstrukčně upraveny pro spalování

39

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část plynu. Tyto motory mohou buď přirozeně nasávat spalovací směs do válců nebo pracovat jako motory přeplňované. Co se týče kvality používaných motorů z hlediska výkonu a provozních parametrů, lze se setkat s levnějšími tuzemskými motory nebo s odpovídající vyšší cenou si pořídit kvalitnější jednotku s motorem zahraničního výrobce. Motory tuzemských výrobců většinou pocházejí od výrobců benzínových, ale především naftových motorů, kteří přicházejí na trh se svými vlastními koncepcemi motoru vhodného ke spalování plynu a umístěním do kogeneračních jednotek. Výkonové a provozní vlastnosti lze považovat za velmi dobré při porovnání s jejich nízkou cenou. Jako nejvhodnější se jeví sériově vyráběné motory velkých tuzemských výrobců jako je např. Zetor, Liaz nebo Škoda, kde je široká dostupnost náhradních dílů a servisu. Motory renomovaných zahraničních výrobců lze z hlediska výkonu nebo provozní kvality hodnotit na velmi vysoké úrovni. Jejich minimální poruchovost nahrává bezproblémovému chodu jednotky a dlouhé životnosti. Tato kvalita je ovšem podložena vyšší pořizovací cenou, která je přibližně 2 – 3 krát vyšší než výkonově srovnatelný motor tuzemského výrobce. Tab. A 4-1: Srovnání životnosti základních částí motoru [8] část motoru hlava motoru turbokompresor pístová skupina, uložení klikového hřídele zapalovací svíčka

motory tuzemských výrobců [hod] 4 000 - 6 000 cca 8 000

motory renomovaných výrobců [hod] 10 000- 12 000 cca 12 000

25 000 - 35 000

40 000 - 50 000

500 - 1 000

2 000 - 6 000

Životnost motoru ovšem velice záleží na míře pravidelného servisu, který má velký vliv nejen na motor, ale především na životnost jednotky jako takové. [8]

4.3 Generátor elektrické energie Generátor elektrické energie se k motoru jednotky připojuje pomocí spojky bez převodovky. Pro nižší výkony (cca do 100 kW) se používají levnější asynchronní

40

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část generátory. Asynchronní generátory se používají z důvodů omezení velikosti proudových rázů při připojení. Při použití asynchronního generátoru je nutno počítat pouze s paralelním zapojením jednotky se sítí a s nutností omezení připojovacích špiček a kompenzací účiníku. Pokud se nechceme omezovat použitím asynchronního generátoru, lze využívat generátor synchronní. Je sice dražší, ale nemusíme už počítat s výkonovým omezením. Vyrábějí se ve dvou provedeních, a to v provedení jedno nebo dvouložiskovém. V případě použití jednoložiskového generátoru nepoužíváme pro spojení s motorem vysoce elastickou spojku, musíme ovšem počítat se zvýšeným mechanickým zatížením a tím i se snížením životnosti motoru. Tyto generátory se ovšem používají převážně u levnějších kogeneračních jednotek. Používané generátory se osazují automatickým fázováním k síti a také automatickou regulaci účiníku na zadanou hodnotu. [8]

4.4 Výměníky tepla Pro efektivní získávání energie z „odpadního“ tepla je nutno jednotku osadit výměníky. Tyto výměníky se používají jednak pro chlazení motorového okruhu ale také pro chlazení odváděných spalin z motoru. Celkově může mít jednotka až 4 druhy výměníků. ·

výměník primárního okruhu,

·

chladič oleje,

·

spalinový výměník,

·

chladič plnící směsi,

Mimo tyto výměníky se používají i další vodou chlazené spalinové díly, např. chlazené výfukové potrubí, chlazená skříň turbodmychadla apod. Tyto díly vyrábí buď sám výrobce jednotky nebo jsou přímo osazeny v motoru. [8] 4.4.1 Výměník primárního okruhu Tento výměník odvádí teplo z chladícího okruhu spalovacího motoru a jeho využití je základní podmínkou provozu kogenerační jednotky. Nejčastěji používaný výměník pro odvod tepla z primárního okruhu je typu voda – voda, pomocí kterého se nabíjí

41

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část sekundární okruh – spotřebitelů. Kvůli malým rozměrům a poměrně nízké ceně je nejvhodnější použít deskový výměník ale lze použít jakýkoliv vhodně nadimenzovaný výměník. [8] 4.4.2 Chladič oleje Použití toho výměníku není bezpodmínečně nutné, je však doporučeno jeho osazení pro zisk tepla z oleje. Ten má díky trvale zvýšené teplotě chladící vody také vyšší teplotu a navíc osazením tohoto výměníku lze dosáhnout snížením doby pravidelné výměny oleje. Nejčastěji se používá chladič v trubkovém nebo lamelovém provedení, který bývá součástí motoru. Zapojuje se do primárního okruhu před vstupem chladící vody do motoru. [8] 4.4.3 Spalinový výměník Pro odnímání tepla ze spalin výfukových plynů se používají spalinové výměníky. Ty bývají konstruovány jako trubkový výměník se spalinami procházející vnitřkem trubek, protože je požadována minimální tlaková ztráta na straně spalin. Spalinové výměníky se umisťují za turbodmychadlo na straně spalin a na straně vody za výměník primárního okruhu. Preferovaným materiálem je běžná konstrukční ocel, která vychází 2 – 3 krát levněji než nerezová ocel. Praktické zkušenosti ukazují, že použití konstrukční oceli je z hlediska životnosti výměníku dostatečné a proto se její použití doporučuje. [8] 4.4.4 Chladič plnící směsi (tzv. mezichladič) Stejně jako chladič oleje bývá i tento chladič obvykle součástí motoru. Používá se pro snížení teploty plnící směsi a tím přispívá ke správnému spalování v motoru. Využití tohoto tepla je problematické z důvodu jeho nižší teploty. Proto se buď maří v externím chladiči nebo jej lze využít pro předehřev teplé vody. [8]

42


4.5 Odvod spalin Spaliny jsou odváděny z motoru, kde vznikají hořením směsi plynu se vzduchem přes spalinový výměník, kde jsou ochlazeny k výstupní přírubě a odtud spalinovodem nejčastěji do komína popř. k samostatné výfukové rouře. Teplota spalin vystupující ze spalinovodu bývá nejčastěji okolo 120°C ale může se pohybovat v rozmezí 100 – 150°C. Nižší teplota spalin odpovídá provozu jednotky na nižší výkon nebo při nižší teplotě vratné vody. Vyšší teplota ovšem poukazuje na možnost zanesení spalinového výměníku. Správný chod jednotky je závislý na dodržení maximální tlakové ztráty. Tato hodnota se pohybuje v rozmezí 10 – 20 mbar a je závislá na rychlosti proudění spalin, dimenzích, členitosti i délce spalinovodu. Rychlost spalin je vhodné volit okolo 15 – 20 m/s a lze jí dosáhnout rozšířením spalinovodu. Všechny úpravy spalinovodu je ovšem nutno důsledně počítat a kontrolovat výslednou hodnotu tlakové ztráty. [8]

4.6 Chlazení Ventilátor se umisťuje do vnitřního prostoru jednotky, aby odváděl teplo z horkých částí motoru a z prostoru pod protihlukovým krytem pryč a teplota zde nemohla nadměrně růst. Proudění chladícího vzduchu zajišťuje ventilátor, který kromě ochlazování vnitřního prostoru obstarává také spalovací vzduch pro jednotku z okolí. Celkové množství přiváděného vzduchu jednotce je dáno součtem množství vzduchu ventilačního a spalovacího. U menších jednotek lze využít ventilátor generátoru elektrického proudu, větší jednotky se osazují samostatným axiálním ventilátorem s prodlouženým doběhem. Ventilátor odebírá vzduch nejčastěji z prostoru strojovny a vyfukuje ho přes vzduchotechnické potrubí mimo strojovnu ven do atmosféry. Teplota nasávaného vzduchu by se měla pohybovat v rozmezí 10 – 30°C, protože jeho parametry významně ovlivňují chod jednotky. Nízké teploty mohou činit problémy při rozběhu jednotky, vysoké teploty naopak jednotku mohou uvádět do havarijního stavu a odstavovat ji z provozu. Ohřátí vzduchu při průchodu jednotkou se pohybuje okolo 15°C.

43

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie A. Teoretická část Mimo větrání samotné jednotky nesmíme zapomenout na větrání prostoru strojovny. To se řídí příslušnými normami a předpisy pro kotelny s plynovými spotřebiči. Oproti plynovým kotelnám jsou nároky na větrání mnohonásobně vyšší z důvodu vyšší produkce tepla jednotkou. Toto teplo se musí odvézt a lze jej použít pro temperování přilehlých prostor i samotné strojovny. [8]

4.7 Prostředky ke snížení hluku Hlavním zdrojem hluku v kogenerační jednotce je motor. Hluk se z něj může šířit těmito způsoby: ·

prostupem přes stěny skříně nebo budovy,

·

s odcházejícími výfukovými plyny.

Jako prostředek ke snížení hluku vznikajícího činností motoru se jednotky opatřují protihlukovými kryty. Kryt je konstruován jako samostatná panelová konstrukce, která má odnímatelné boční a obvykle i čelní části a z vnitřní strany je pokryta vhodným zvukově izolačním materiálem. Ten přispívá ke snížení přenosu hluku. Kryt samotný nezvětšuje prostorové nároky pro umístění jednotky a zároveň poskytuje možnost přístupu do jednotky. Z důvodu zabránění úniku hluku do okolí přes ventilační průduchy musí být tyto otvory opatřeny tlumičem hluku. Použitím protihlukového krytu lze snížit hlučnost jednotky o 15 až 25 dB. Lze také použít finančně srovnatelné řešení v podobě odhlučněného kontejneru, ovšem v tomto případě rostou požadavky na prostor. Hluk doprovázející výfukové plyny se nejčastěji snižuje instalací tlumiče výfuku. Vzhledem k často stálým otáčkám motoru je vhodné použít tlumiče, které lze vyladit na příslušnou frekvenční hladinu, ve které se zvuk nejvíce nachází a tím pádem maximalizovat jeho účinnost. Základní útlum tlumičů se pohybuje okolo 25 – 35 dB, ve speciálních případech lze řadit tlumiče tak, aby hodnota útlumu byla i okolo hodnoty 50dB. [8]

44

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část

B. PRAKTICKÁ ČÁST Praktická část úzce navazuje na poznatky z části teoretické. V této části budou zpracovány informace poskytnuté provozovatelem nemovitosti a následně zvolena vhodná jednotka. Volba finální jednotky podléhá optimalizaci provozu, která zkoumá různé provozní režimy jednotky a určuje z hlediska technického i ekonomického nejvhodnější provozní režim zvolené jednotky. Praktická část je zakončena ekonomickou kalkulací zvolené jednotky a porovnává vstupní a provozní náklady kogenerační jednotky s možnými úsporami oproti současnému stavu.

1. DIMENZOVÁNÍ VÝKONU KOGENERAČNÍ JEDNOTKY Dimenzování jmenovitého výkonu kogenerační jednotky a návrh způsobu jejího provozování je jedním z klíčových kroků, které ovlivňují jak ekonomiku a celou hospodárnost provozu, tak především tepelně – technické požadavky, které jednotkou požadujeme zabezpečit. Je potřeba si uvědomit limit poměru elektrického a tepelného výkonu. Ten je dán konstrukčním provedením spalovacího motoru, jeho velikostí a teplotou vyráběného tepla. Nelze ho tedy libovolně měnit a lze počítat s rozsahem od 1:1,2 u jednotek s vyšším výkonem po jednotky s nejnižším výkonem, kde tento poměr může nabývat hodnot 1:2. Dalším důležitým faktem je, že při vyšší požadované teplotě vyráběného tepla se snižuje účinnost výroby elektrické energie. Ne zcela vhodné je také provozovat jednotku na nižší výkon než jmenovitý. Při nižším výkonu je snížena výroba elektrické energie, zato produkce tepelné energie je o to vyšší. Celkové využití energie z plynu je tím pádem stejné. Dimenzovat výkon jednotky lze dle požadavku na teplo nebo elektrickou energii. Obecně bývá vhodnější dimenzovat jednotku na co nejvyšší elektrickou účinnost. Tu dostaneme, pokud jednotka pojede na jmenovitý výkon. Přebytečné teplo lze akumulovat do zásobníků vody, které jsou k jednotce paralelně připojeny a s jejich pomocí můžeme řešit časový rozdíl mezi výrobou tepla a požadavkem na něj. V letním

45

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část období se vyplácí právě tento způsob provozu jednotky, kdy jednotka běží pouze v době odběrových špiček elektřiny (vyšší výkupní cena el. energie) a vyrobené teplo je akumulováno pro celodenní odběr teplé vody. Pro správný návrh kogenerační jednotky je nezbytné stanovení diagramu odběru tepla a elektrické energie, které lze pokrýt kogenerační jednotkou. V případě větších objektů s vyšší vlastní spotřebou elektrické energie je třeba elektrický výkon kogenerační jednotky nejprve dimenzovat pro pokrytí vlastní spotřeby a následně kontrolovat stupeň využití vyrobeného tepla dle diagramu spotřeby tepla objektu. Doplněk elektrické energie je dodáván ze sítě, a nedostatek tepelné energie pokryjí špičkové zdroje. Při návrhu jednotky je důležité si uvědomit, že při provozu tohoto zařízení vzniká současně tepelná i elektrická energie. Jakékoliv maření energií nebo provoz jednotky na nižší výkon než jmenovitý se negativně projevují na ekonomice celé investice. Je tedy třeba jednotku navrhovat tak, aby: ·

vyrobené teplo vznikající při výrobě elektřiny bylo maximálně využito,

·

vyrobené teplo i elektrická energie byla maximálně zhodnocena. [10]

46


2.NÁVRH KOGENERAČNÍ JEDNOTKY Návrh kogenerační jednotky bude proveden dle vstupních informací provozovatele nemovitosti, klimatických údajů a předpisů souvisejících s touto problematikou.

2.1 Vstupní informace Návrh kogenerační jednotky bude proveden pro výškový objekt v Jihomoravském kraji. Jedná se o vícepatrový objekt postaven v 80. letech 20. století. Objekt má stávající fasádu i okna (návrh kogenerační jednotky bude proveden na stávající stav, i když z hlediska úspor by bylo lepší objekt rekonstruovat výměnou oken a zateplením a až na tento nový stav navrhovat jednotku). Zdrojem tepla je v současné době předávací stanice pára/voda. Ohřev teplé vody je také zajištěn pomocí této předávací stanice a doplněn samostatnou výměníkovou stanicí pára/voda. Pára je do objektu dodávána centralizovaným zásobováním teplem (CZT) z městské teplárny. 2.1.1 Elektrická energie Jako výchozí informace o spotřebě elektrické byly použity hodnoty dlouhodobého měření spotřeby elektrické energie. Spotřeba byla sledována zvlášť pro dny pracovního týdne a pro dny v období víkendů. Průběh křivek spotřeb elektrické energie odpovídá velmi přesně celkovému dennímu průběhu, protože graf byl vytvořen z hodinových hodnot. Z vytvořených grafů lze konstatovat, že spotřeba elektřiny je během hodnocených období relativně ustálená jak svým denním průběhem, tak také rozdíly mezi jednotlivými dny. Maximální odchylky mezi shodnými hodinami porovnávaných dní činí něco okolo 200 kW v době odběrové špičky. Lze také konstatovat, že pracovní týden je z energetického hlediska náročnější než víkend. Křivky průměrných hodnot jsou svým průběhem velmi podobné. Pro pokrytí minimálních spotřeb elektrické energie by navržená jednotka měla být dimenzována na 200 kW elektrického výkonu. Zbytek potřebného (špičkového) výkonu by poté byl dodán ze sítě. Tyto informace nejlépe shrnují následující grafy.

47

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Graf B 2 - 1 Spotřeba elektrické energie během pracovních dnů [11]

Spotřeba elektrické energie během pracovních dnů 500

450

Spotřeba [kWh]

400

350

300

250

200

150 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

MAXIMUM

PRŮMĚR

MINIMUM

Graf B 2 - 2 Spotřeba elektrické energie během víkendů [11]

Spotřeba elektrické energie během víkendů 500

450

Spotřeba [kWh]

400

350

300

250

200

150

100 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 13

14

15

16 17

18

19

20

21

22 23

24

Čas [hodiny] MAXIMUM

MINIMUM

PRŮMĚR

48

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 2.1.2 Tepelná energie Jako výchozí hodnoty pro zjištění spotřeby tepelné energie byly použity měsíční data odběru páry. Projektovat kogenerační jednotku dle těchto hodnot by bylo velmi zkreslené, proto se pro stanovení potřeb tepelné energie a ročního diagramu odběru tepla muselo přistoupit k přepočtům na univerzální údaj. Takovým údajem byl zvolen parametr HT – měrná ztráta prostupem tepla [W/K]. V našem případě to ovšem není přesně měrná ztráta, tak jak ji definuje norma ČSN EN ISO 13 789, ale výpočtem této hodnoty jsme z měsíčních hodnot spotřeb páry určili měrnou spotřebu páry pro vytápění a vzduchotechniku. Stanovení parametru HT Způsob výpočtu bude proveden pro jeden měsíc. Postup pro další měsíce je shodný. a) průměrná teplota v lednu: 1,1 °C b) návrhová teplota v obytné místnosti: 20 °C c) počet otopných dní: 31 d) spotřeba páry v měsíci lednu: 1 477 GJ => 1 477 * 277,78 = 410 281,06 kWh e) denní spotřeba páry: 410 281,06/31 = 13 234,87 kWh e) průměrná spotřeba páry pro ohřev TV: 138,5 GJ/měsíc => 138,5 / 31 = 4,47 GJ/ den => (4,47 * 277,78)/40*45 = 1 396,18 kWh/den pozn.: odhad spotřeb teplé vody v měsíci lednu byl proveden dle letních měsíců, kdy neprobíhá topná sezóna a veškeré teplo je spotřebováno pro ohřev TV. Ve výpočtu je také zohledněn fakt, že v zimě je potřeba tepla pro ohřev teplé vody větší než v létě, protože počítáme s chladnější studenou vodou. (∆t léto = 40, ∆t zima = 45) e) denní spotřeba páry pro ÚT a VZT: 13 234,87 - 1 396,18 = 11 838,69 kWh/den f) maximální potřebný výkon: 11 838,69 / 24 = 493,28 kW g) rozdíl teplot: 20 - 1,1 = 18,9 °C h) parametr HT: 493,28 / 18,9 = 26,10 kW/K

49

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Tab. B 2 - 1 Stanovení parametru H pro jednotlivé měsíce [11] Denní Denní Denní Počet Nutný Počet spotřeba spotřeba spotřeba topných výkon dní páry pro páry pro páry pro dní zdroje ÚT a TV TV ÚT

Měsíc

Spotřeba páry

Spotřeba páry

[-]

[GJ]

[kWh]

[-]

[-]

leden

1477

410281,06

31

31

13234,87 1396,18 11838,69 493,28 18,9

26,10

únor

1586

440559,08

29

29

15191,69 1426,14 13765,56 573,56 23,2

24,72

březen

892

247779,76

31

31

7992,90

1303,10

6689,79 278,74 13,1

21,28

duben

734

203890,52

24

30

6796,35

1346,54

5449,81 227,08 9,3

24,42

květen

220

61111,60

5

31

1971,34

1272,08

699,27

29,14

2,8

10,41

červen

160

44444,80

0

30

1481,49

1282,42

0,00

0,00

-0,1

0,00

červenec

139

38611,42

0

31

1245,53

1241,05

0,00

0,00

-1,4

0,00

srpen

138

38333,64

0

31

1236,57

1492,51

0,00

0,00

-0,9

0,00

září

187

51944,86

6

30

1731,50

1346,54

384,96

16,04

4,6

3,49

říjen

738

205001,64

27

31

6612,96

1334,13

5278,83 219,95 10,7

20,56

listopad

1030

286113,40

30

30

9537,11

1410,66

8126,45 338,60 13,3

25,46

prosinec

1544

428892,32

31

31

13835,24 1396,18 12439,06 518,29

[kWh]

[kWh]

[kWh]

[kW]

∆T

HT

[°C] [kW/K]

21

24,68

Průměrný parametr HTP Průměrný parametr HTP je vypočítán prostým aritmetickým průměrem z jednotlivých měsíčních parametrů HT. Do průměru jsou zahrnuty pouze zimní měsíce, protože v přechodovém období je složité určit poměr mezi vytápěním a ohřevem teplé vody, což je patrné v tabulce B1-1, kde je vidět, že v měsíci květnu a září dosahujeme zcela odlišného parametru HT. ‫்ܪ‬௉ ൌ ‫்ܪ‬௉ ൌ

σ ‫்ܪ‬ σ ݉³‫ݏ‬Àܿ

ʹ͸ǡͳͲ ൅ ʹͶǡ͹ʹ ൅ ʹͳǡʹͺ ൅ ʹͶǡͶʹ ൅ ʹͲǡͷ͸ ൅ ʹͷǡͶ͸ ൅ ʹͶǡ͸ͺ ͹

ࡴࢀࡼ ൌ ૛૜ǡ ૠૠ࢑ࢃȀࡷ

Výpočet průměrného parametru HTP slouží jako podklad pro sestrojení ročního odběrového diagramu tepla.

50

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Roční diagram odběru tepla Roční diagram odběru tepla stanovuje dobu trvání požadavku ve dnech nebo hodinách na určitou velikost tepelného výkonu zdroje. Pro dimenzování kogenerační jednotky je tento diagram nezbytný, jelikož stanovuje, po jakou dobu bude zvolený výkon jednotky využit. Pro dobrou ekonomickou návratnost investice by tato doba provozu neměla klesnout pod 3000 hodin za rok. Pro zbývající část tepelného výkonu, který nepokryje kogenerační jednotka je třeba navrhnout vhodný špičkový zdroj. Tím bude v našem případě stávající předávací stanice páry. Roční diagram odběru tepla je stanoven z klimatických dat a průměrného parametru HTP. Tab. B 2 - 2 Výpočet velikosti zdroje dle venkovní teploty [11] Počet dní Potřeba Potřeba Potřeba Počet Venkovní venkovní tepla tepla tepla pro hodin teplota teploty pro ÚT pro TV ÚT a TV provozu [°C] -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

[dny] 0 2 5 7 12 14 20 23 27 30 34 37 50 61 76 90 106 114 134 151 173 193 203 212 228 236

[kW] 784,41 760,64 736,87 713,1 689,33 665,56 641,79 618,02 594,25 570,48 546,71 522,94 499,17 475,4 451,63 427,86 404,09 380,32 356,55 332,78 309,01 285,24 261,47 237,7 213,93 190,16

[kW] 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56

[kW] 840,41 816,64 792,87 769,1 745,33 721,56 697,79 674,02 650,25 626,48 602,71 578,94 555,17 531,4 507,63 483,86 460,09 436,32 412,55 388,78 365,01 341,24 317,47 293,7 269,93 246,16

[hod] 0 48 120 168 288 336 480 552 648 720 816 888 1200 1464 1824 2160 2544 2736 3216 3624 4152 4632 4872 5088 5472 5664

51

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Graf B 2 - 3 Roční diagram odběru tepla

Roční diagram odběru tepla 900 800 700 Výkon [kW]

600 500 400 300 200 100 0

Čas [hodiny] Potřeba tepla pro TV

Celková potřeba tepla

2.1.3 Klimatická data Jako další vstupní hodnoty pro návrh velikosti kogenerační jednotky slouží klimatické údaje průměrných denních teplot. Z nich byl vytvořen následují graf, do kterého se ještě vnesly hodnoty průměrných měsíčních teplot. Graf B 2 - 4 Teploty v roce 2012 [14]

Teploty v roce 2012 35 30 25

Teplota [°C]

20 15 10

průměry

5

Teplota

0 -5 -10 -15 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září Měsíc

říjen

listopad prosinec

52


2.2 Volba velikosti kogenerační jednotky Při volbě velikosti kogenerační jednotky hraje roli více faktorů. Primárním faktorem je samozřejmě bilance spotřeb energií v navrhovaném objektu. K tomu nám poslouží roční diagram odběru tepla a průběh spotřeb elektrické energie v průběhu dní. Velikost jednotky se poté volí tak, aby doba provozu jednotky byla co nejvyšší. Zbývající potřeba tepla, především v letních měsících v době odstávky jednotky a v zimě při nižších venkovních teplotách musí pokrýt špičkový zdroj tepla. Zbývající potřeba elektrické energie, kterou jednotka nevyrobí je standardně dodávána ze sítě. Na požadavek doby provozu jednotky má elektrická energie pouze minimální vliv, protože změna průběhů potřeb elektrické energie během roku je minimální. Oproti tomu požadavek na tepelnou energii se v průběhu roku dramaticky mění. Potřeby tepla na ohřev teplé vody bývají neměnné v průběhu roku, mění se ovšem požadavek na odběr tepla k přípravě topné vody. Spotřebu tepla během roku znázorňuje následující graf. Graf B 2 - 5 Spotřeba páry během roku [11]

Spotřeba páry během roku 500 450

Spotřeba páry [MWh]

400 350 300

250 200 150 100 50

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Měsíc Spotřeba páry pro přípravu TV

Spotřeba páry pro ÚT a VZT

Druhým faktorem, který má podstatný vliv na celou ekonomiku je volba kogeneračního systému. Zde je na výběr buďto horní nebo dolní systém. Oba systémy se liší v tom, že u horního systému je nejprve vyrobeno teplo a následně po jeho částečném využití se vyrábí elektrická energie, nebo systém dolní, který je běžnější, a zde je priorita výroby elektrické energie a následného využití „odpadního“ tepla pro výrobu tepelné energie.

53

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část První ze systému je častý v průmyslu. S druhým systémem se setkáme v běžných aplikacích (elektrárny, výtopny, okrskové kotelny…). V případě návrhu kogeneračního systému v ubytovací budově je vhodný dolní systém s preferencí výroby elektřiny. Dalším krokem je tzv. optimalizace systému. Optimalizace znamená, že jsou porovnávány různé alternativy provozu jednotky. Jeden z nejčastějších způsobů provozování jednotky je ten, že jednotka pokrývá základní potřebu tepla a elektrické energie a zbytek je dodán ze sítě. Elektrický výkon jednotky může být také navržen tak, že převyšuje potřebu elektřiny v objektu a právě tyto přebytky jsou prodávány do sítě. Tento způsob provozu si ovšem většinou vyžaduje akumulátor tepla, do kterého jsou vyvedeny přebytky (zásoby) tepla, které jsou využity mimo dobu odběrové špičky elektřiny, ve které jsou výkupní ceny elektřiny nejvyšší.

2.3 Optimalizace kogeneračního sytému Pro optimalizaci kogeneračního systému byly zvoleny 2 kogenerační jednotky tuzemského výrobce TEDOM a.s. s různými elektrickými i tepelnými výkony. Přehled zvolených jednotek je znázorněn níže v tabulce 2 - 3. Dále se vycházelo z dat poskytnutými provozovatelem objektu, z klimatických dat a hodnot výše spočtených. Optimalizace systému bude provedena pro kogenerační jednotku spalující zemní plyn ve spolupráci se špičkovým zdrojem, kterým je stávající předávací stanice páry. Pro vhodnější jednotku bude dále provedena optimalizace výkonu jednotky. Tab. B 2 - 3 Parametry zvolených jednotek [12] Název Provedení Motor Technologický chladič Elektrický výkon Tepelný výkon spotřeba ZP Příkon Účinnost el. Účinnost tep. Účinnost celková CZK/kWe Cena v CZK

Cento T180 Protihlukový kryt TEDOM, TG 185 G5V TW 86

Cento T200 Protihlukový kryt TEDOM, TG 210 G5V TW 86

Ano

Ano

180 227 48,6 459,0 39,2% 49,5% 88,7%

200 253 54 510,0 39,2% 49,6% 88,8%

17 222 3 100 000

16 500 3 300 000

54

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 2.3.1 Optimalizované varianty Následující graf přehledně znázorňuje varianty kogeneračních jednotek, jejichž provoz je předmětem optimalizace. Graf B 2 - 6 Optimalizované varianty

KOGENERAČNÍ JEDNOTKA

Cento T180

100 % výkon

Cento T200

100 % výkon

Noční útlum výkonu

2.3.2 Cento T180 Postup řešení vychází z předpokladu spolupráce kogenerační jednotky a předávací stanice páry. Byl využit algoritmus v programu Excel, který dle zadaných podmínek vypočítává množství vyrobeného tepla a na základě této informace dopočítá množství tepla dodané špičkovým zdrojem. Zadané podmínky jsou následující: ·

Požadovaný tepelný výkon je vyšší než tepelný výkon jednotky a zároveň

·

Doba trvání požadavku na výkon je vyšší než nastavená hodnota

Vstupní hodnoty:

·

Tepelný výkon jednotky: 227 kW

·

Elektrický výkon jednotky: 180 kW

·

Maximální doba chodu jednotky: 5 664 hodin (236 dní – celá topná sezóna)

·

Týdenní odběrový diagram elektrické energie

·

Roční odběrový diagram tepla

55

Potřeba tepla pro TV

Potřeba tepla pro ÚT a TV

8800

8400

8000

7600

7200

6800

6400

6000

Čas Výroba elektrické energie

5600

5200

4800

4400

4000

3600

3200

Spotřeba

2800

2400

100

2000

200

1600

1200

800

400

400

0

Výkon [kW]

08.01.2015 00:00

07.01.2015 18:00

07.01.2015 12:00

07.01.2015 06:00

07.01.2015 00:00

06.01.2015 18:00

06.01.2015 12:00

06.01.2015 06:00

06.01.2015 00:00

05.01.2015 18:00

05.01.2015 12:00

05.01.2015 06:00

05.01.2015 00:00

04.01.2015 18:00

04.01.2015 12:00

04.01.2015 06:00

04.01.2015 00:00

03.01.2015 18:00

03.01.2015 12:00

03.01.2015 06:00

03.01.2015 00:00

02.01.2015 18:00

02.01.2015 12:00

02.01.2015 06:00

02.01.2015 00:00

01.01.2015 18:00

01.01.2015 12:00

01.01.2015 06:00

01.01.2015 00:00

Výkon [MW]


Graf B 2 - 7 Týdenní odběrový diagram jednotky T 180 [18]

0,4

Týdenní odběrový diagram

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

-0,2

Spotřeba po odečtení výroby

Graf B 2 - 8 Poměr tepla vyrobené kogenerační jednotkou T180 a předávací stanicí [11]

Roční diagram odběru tepla

900

800

700

600

500

Dodávka tepla z předávací stanice

300

Dodávka tepla z kogenerační jednotky

0

Čas [hodiny]

TEDOM T180

56

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Řešení: Tab. B 2 - 4 Algoritmus řešení jednotky T180 (ve spolupráci se společností ENA s.r.o.) Vstupní hodnoty potřeb tepla Potřeba Potřeba Celková Provozní tepla pro tepla potřeba hodiny ÚT pro TV tepla

Dodávka tepla z PS

Dodávka z KJ

Výkon PS

Množství dodaného tepla

Výkon KGJ

Doba

Množství Doba dodaného provozu tepla

kW

kW

kW

hod

kW

kWh

kW

kWh

MTh

784 761 737 713 689 666 642 618 594 570 547 523 499 475 452 428 404 380 357 333 309 285 261 238 214 190 0 … … 0

56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 … … 56

840 817 793 769 745 722 698 674 650 626 603 579 555 531 508 484 460 436 413 389 365 341 317 294 270 246 56 … … 56

0 48 120 168 288 336 480 552 648 720 816 888 1200 1464 1824 2160 2544 2736 3216 3624 4152 4632 4872 5088 5472 5664 5688 … … 8760

613 590 566 542 518 495 471 447 423 399 376 352 328 304 281 257 233 209 186 162 138 114 90 67 43 19 56 … … 56

0 28 303 40 743 26 021 62 200 23 739 67 794 32 185 40 632 28 763 36 068 25 340 102 389 80 362 101 027 86 305 89 507 40 189 89 064 66 006 72 869 54 835 21 713 14 407 16 485 3 679 1 344 … … 1 344

227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 227 0 … … 0

0 10 896 16 344 10 896 27 240 10 896 32 688 16 344 21 792 16 344 21 792 16 344 70 824 59 928 81 720 76 272 87 168 43 584 108 960 92 616 119 856 108 960 54 480 49 032 87 168 43 584 0 … … 0

0 48 72 48 120 48 144 72 96 72 96 72 312 264 360 336 384 192 480 408 528 480 240 216 384 192 0 … … 0

57

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Výstup: Algoritmem byly spočítány dle zadaných podmínek tyto údaje: ·

Množství vyrobeného tepla v KGJ: 1 286 MWh

·

Množství vyrobeného tepla v PS: 1 424 MWh

·

Doba provozu za rok: 5 664 hodin (236 dní)

Další dopočitatelné údaje: ·

Množství vyrobené elektrické energie: 1 020 MWh

·

Množství nakoupené elektrické energie: 1 431 MWh

·

Spotřeba paliva za výpočtovou dobu: 275 319 m3

2.3.3 Cento T200 v provozním režimu bez nočního útlumu Postup řešení vychází z předpokladu spolupráce kogenerační jednotky a předávací stanice páry. Byl využit algoritmus v programu Excel, který dle zadaných podmínek vypočítává množství vyrobeného tepla a na základě této informace dopočítá množství tepla dodané špičkovým zdrojem. Dále se předpokládá, že přebytečná elektrická energie, která vzniká v nočních a ranních hodinách, bude prodávána do sítě. Zadané podmínky jsou následující: ·

Požadovaný tepelný výkon je vyšší než tepelný výkon jednotky a zároveň

·

Doba trvání požadavku na výkon je vyšší než nastavená hodnota

Vstupní hodnoty:

·

Tepelný výkon jednotky: 253 kW

·

Elektrický výkon jednotky: 200 kW

·

Maximální doba chodu jednotky: 5 500 hodin

·


·


58

Potřeba tepla pro TV

Potřeba tepla pro ÚT a TV

8800

8400

8000

7600

7200

6800

6400

6000

5600

Čas Výroba bez nočního útlumu

5200

4800

4400

4000

3600

3200

2800

Spotřeba

2400

08.01.2015 00:00

07.01.2015 18:00

07.01.2015 12:00

07.01.2015 06:00

07.01.2015 00:00

06.01.2015 18:00

06.01.2015 12:00

06.01.2015 06:00

06.01.2015 00:00

05.01.2015 18:00

05.01.2015 12:00

05.01.2015 06:00

05.01.2015 00:00

04.01.2015 18:00

04.01.2015 12:00

04.01.2015 06:00

04.01.2015 00:00

03.01.2015 18:00

03.01.2015 12:00

03.01.2015 06:00

03.01.2015 00:00

02.01.2015 18:00

02.01.2015 12:00

02.01.2015 06:00

02.01.2015 00:00

01.01.2015 18:00

01.01.2015 12:00

01.01.2015 06:00

01.01.2015 00:00

Výkon [MW] 0,4

2000

1600

100

1200

200

800

400

400

0

Výkon [kW]


Graf B 2 - 9 Týdenní odběrový diagram jednotky T 200 bez nočního útlumu [18]

Týdenní odběrový diagram bez útlumu

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

-0,2

Spotřeba po odečtení výroby bez útlumu

Graf B 2 - 10 Poměr tepla vyrobené kogenerační jednotkou T200 a předávací stanicí [11]

Roční diagram odběru tepla

900

800

700

600

500

Dodávka tepla z předávací stanice

300

Dodávka tepla z kogenerační jednotky

0

Čas [hodiny]

Cento T200

59

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Řešení: Tab. B 2 - 5 Algoritmus řešení jednotky T200 (ve spolupráci se společností ENA s.r.o.) Vstupní hodnoty potřeb tepla Potřeba Potřeba Celková Provozní tepla pro tepla potřeba hodiny ÚT pro TV tepla kW 784 761 737 713 689 666 642 618 594 570 547 523 499 475 452 428 404 380 357 333 309 285 261 238 214 190 0 … … 0

kW 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 … … 56

kW 840 817 793 769 745 722 698 674 650 626 603 579 555 531 508 484 460 436 413 389 365 341 317 294 270 246 56 … … 56

hod 0 48 120 168 288 336 480 552 648 720 816 888 1200 1464 1824 2160 2544 2736 3216 3624 4152 4632 4872 5088 5472 5664 5688 … … 8760

Dodávka tepla z PS

Dodávka z KJ

Výkon PS

Množství dodaného tepla

Výkon KGJ

kW 587 564 540 516 492 469 445 421 397 373 350 326 302 278 255 231 207 183 160 136 112 88 64 41 17 246 56 … … 56

kWh 0 27 055 38 871 24 773 59 080 22 491 64 050 30 313 38 136 26 891 33 572 23 468 94 277 73 498 91 667 77 569 79 523 35 197 76 584 55 398 59 141 42 355 15 473 8 791 6 501 47 263 1 344 … … 1 344

kW 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 253 0 0 … … 0

Doba

Množství Doba dodaného provozu tepla kWh 0 12 144 18 216 12 144 30 360 12 144 36 432 18 216 24 288 18 216 24 288 18 216 78 936 66 792 91 080 85 008 97 152 48 576 121 440 103 224 133 584 121 440 60 720 54 648 97 152 0 0 … … 0

MTh 0 48 72 48 120 48 144 72 96 72 96 72 312 264 360 336 384 192 480 408 528 480 240 216 384 0 0 … … 0

60

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Výstup: Algoritmem byly spočítány dle zadaných podmínek tyto údaje: ·


·


·


Další dopočitatelné údaje: ·


·


·

Množství přebytečné elektrické energie: 4,6 MWh

·


2.3.4 Cento T200 v provozním režimu s nočním útlumem Tato optimalizační varianta je zvolena vzhledem k možnému ekonomickému přínosu v případě, že jednotka bude v nočních a ranních hodinách provozována na nižší výkon. Snížení výkonu musí být takové, aby nedocházelo ke vzniku přebytku elektrické energie v místě výrobny. Snížení výkonu pro noční hodiny je nastaveno na 75% jmenovitého výkonu jednotky. Pro tento případ je vytvořen týdenní odběrový diagram, který znázorňuje noční útlumy výroby elektrické energie. Vstupní hodnoty:

·

Tepelný výkon jednotky:

253 kW v době od 6:00 - 24:00 189 kW v době od 0:00 - 6:00

·

Elektrický výkon jednotky: 200 kW v době od 6:00 - 24:00 150 kW v době od 0:00 - 6:00

·

Maximální doba chodu jednotky: 5 500 hodin

·


·


61

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Graf B 2 - 11 Týdenní odběrový diagram se sníženým nočním provozem [18]

Týdenní odběrový diagram s útlumem 0,4

0,3

Výkon [MW]

0,2

0,1

0

-0,1

08.01.2015 00:00

07.01.2015 18:00

07.01.2015 12:00

07.01.2015 06:00

07.01.2015 00:00

06.01.2015 18:00

06.01.2015 12:00

06.01.2015 06:00

06.01.2015 00:00

05.01.2015 18:00

05.01.2015 12:00

05.01.2015 06:00

05.01.2015 00:00

04.01.2015 18:00

04.01.2015 12:00

04.01.2015 06:00

04.01.2015 00:00

03.01.2015 18:00

03.01.2015 12:00

03.01.2015 06:00

03.01.2015 00:00

02.01.2015 18:00

02.01.2015 12:00

02.01.2015 06:00

02.01.2015 00:00

01.01.2015 18:00

01.01.2015 12:00

01.01.2015 06:00

01.01.2015 00:00

-0,2

Čas Spotřeba

Výroba s nočním útlumem

Spotřeba po odečtení výroby s útlumem

Výstup: Při provozu kogenerační jednotky v provozním režimu s nočními útlumy, by bylo množství energií následující: a) v době jmenovitého výkonu od 6:00 - 24:00: ·

Doba provozu za rok: 4 104 hodin (po dobu 228 dní)

·


·

Množství vyrobené elektrické energie: 821 MWh

·


b) v době 75% jmenovitého výkonu od 0:00 - 6:00: ·

Doba provozu za rok: 1 368 hodin (po dobu 228 dní)

·

Množství vyrobeného tepla v KGJ: 260 MWh

·

Množství vyrobené elektrické energie: 205 MWh

·


62

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část c) celkové množství energií: ·


·


·


·


·


·


Porovnání jednotek: Tab. B 2 - 6 Porovnání výsledných hodnot Cento T180

Cento T200

Cento T200 s nočním útlumem

Množství vyrobeného tepla v KGJ

1 286 MWh

1 385 MWh

1 298 MWh

Množství vyrobeného tepla v PS

1 424 MWh

1 325 MWh

1 412 MWh

5 664 hod

5 472 hod

5 472 hod

Množství vyrobené elektrické energie

1 020 MWh

1 095 MWh

1 026 MWh

Množství nakoupené elektrické energie

1 431 MWh

1 356 MWh

1 425 MWh

Množství přebytečné elektrické energie

0 MWh

4,6 MWh

0 MWh

Název

Doba provozu za rok

Spotřeba paliva Předpokládaná úspora

3

3

3

275 319 m

295 488 m

278 525 m

1,31 mil/rok*

1,47 mil/rok*

1,43 mil/rok*

* viz. kapitola 3 Závěr optimalizace: Byly provedeny optimalizační výpočty pro 2 jednotky. Pro jednotku Cento T200 byla navíc provedena optimalizace nejen jednotky samotné, ale také její možný provozní režim s nočním útlumem. Provozní režim s nočním útlumem měl potvrdit nebo vyvrátit tvrzení, že provoz jednotky v nočních hodinách a prodej přebytečné elektrické energie v této době je nevýhodný kvůli nízké výkupní ceně elektrické energie. Přebytky elektřiny jsou ale natolik nízké, že snižování výkonu má v tomto případě spíše negativní vliv. Ten je dán nutným nákupem elektrické energie a tepla ze stávajících zdrojů. Závěrem optimalizace je výběr kogenerační jednotky a její následná finanční analýza. Pro tuto finanční analýzu je zvolena jednotka Cento T200 bez režimu s nočními útlumy.

63


2.4 Základní technické parametry jednotky Cento T200 Kogenerační jednotka TEDOM Cento T200 se řadí mezi stroje středních výkonů, na bázi plynových motorů. Blokové uspořádání této jednotky obsahuje soustrojí motorgenerátor, kompletní tepelné zařízení jednotky a protihlukový kryt. Součástí dodávky je volně dodaný tlumič výfuku. KGJ je osazena elektrickým rozvaděčem se silovou a ovládací částí. KGJ je určena pro provozování na zemní plyn a instalaci do kryté strojovny. KGJ je v provedení se synchronním generátorem určená pro paralelní provoz se sítí: 400V/50 Hz. Teplovodní okruh je přizpůsoben teplotnímu spádu 90/70°C. [12]

Obr. B 2 - 1: Schéma kogenerační jednotky TEDOM Cento T200 [12]

2.4.1 Generátor Zdrojem elektrické energie je synchronní generátor se základními parametry dle uvedeného přehledu: Tab. B 2 - 7 Parametry generátoru [12]

výkon generátoru

315 kVA / 252 kW

cos ϕ

1,0

účinnost v pracovním bodě

95,7%

napětí

400 V

frekvence

50 Hz

64

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 2.4.2 Motor K pohonu jednotky je použit plynový spalovací motor T6 210 G5V TW 86, výrobek firmy TEDOM. Tab. B 2 - 8 Parametry motoru [12]

počet válců

6 v řadě

zdvihový objem

11 946 m3

otáčky

1 500 min-1

spotřeba oleje normál/max

0,3 / 0,5 g/kWh

maximální výkon motoru

217 kW

Obr. B 2 - 2: Spalovací motor jednotky TEDOM Cento T200 [12]

2.4.3 Tepelný systém Tepelný systém KGJ je z hlediska tepelného výkonu rozdělen dvěma nezávislými okruhy, sekundárním a technologickým. Tepelný systém obsahuje ještě tzv. primární okruh, který tvoří vodní plášť motoru. Maximální tepelný výkon jednotky je součtem tepelných výkonů sekundárního a technologického okruhu při jejich plném využití. Primární okruh Představuje vnitřní uzavřený tlakový okruh, který odebírá teplo z vodního pláště motoru, 1. sekce mezichladiče a spalinového výměníku a předává ho do sekundárního okruhu.

65

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Tab. B 2 - 9 Parametry primárního okruhu [12]

teplonosná látka

voda + etylenglykol

koncentrace etylenglykolu

35 %

tepelný výkon okruhu

237 kW

maximální pracovní tlak

300 kPa

vodní objem okruhu

146 litrů

Sekundární okruh Představuje okruh, kterým je zajištěno vyvedení hlavního tepelného výkonu jednotky (získaného chlazením spalovacího motoru a spalin) do topného systému. Standardně okruh pracuje s teplotami vratné vody od 40 do 70°C. Dodržení této podmínky je bezpodmínečně nutné pro bezporuchový chod jednotky. Tento okruh je nutno vybavit oběhovým čerpadlem. Tab. B 2 - 10 Parametry sekundárního okruhu [12]

teplonosná látka

voda


237 kW

jmenovitá teplota vstup/výstup

70/90°C

teplota vratné vody min./max. maximální pracovní tlak

40/70°C 600 kPa

vodní objem okruhu

13 litrů

Tab. B 2 - 11 Parametry spalin [12]

teplota spalin

529°C

tepelný výkon spalin (vychlazení na 120°C)

237 kW

Technologický okruh Představuje okruh chlazení plnicí směsi (směs zemního plynu se vzduchem). Úroveň využití tepelného výkonu z tohoto okruhu a jeho vychlazení bezprostředně ovlivňuje dosažení základních technických parametrů. Okruh pracuje s teplotami vratné vody od 35 do 70°C. V závislosti na těchto teplotách se mění účinnost. Tento okruh je již vybaven oběhovým čerpadlem.

66

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Tab. B 2 - 12 Parametry technologického okruhu [12]

teplonosná látka

voda + etylenglykol

koncentrace etylenglykolu

35 %


16 kW

teplota chladicí kapaliny min./max.

35 / 55°C

maximální pracovní tlak

300 kPa

vodní objem okruhu

15litrů

Tepelný výkon technologického okruhu lze využít v nízkoteplotních okruzích (předehřev TV, ohřev vody v bazénech či jiných technologiích). Není-li možné toto teplo při požadavku na dosažení trvalého jmenovitého výkonu využít, je nutné jej mařit ve vnější chladící jednotce (výměník vzduch – voda) Topná voda pro náplň hydraulických okruhů musí být upravená a odpovídat požadavkům výrobce jednotky. 2.4.4 Palivo, přívod plynu Plynová trasa jednotky je sestavena v souladu s TPG 811 01 a obsahuje sestavu dvou nezávislých rychlouzavíracích elektromagnetických ventilů pro uzavření přívodu plynu při vypnutí jednotky, nulový regulátor tlaku plynu a kovovou hadici pro připojení ke směšovači se vzduchem. Pro správný provoz je požadována plynová přípojka o patřičné dimenzi s přiměřeným akumulačním objemem, aby nedošlo k poklesu tlaku plynu v rozvodu v době skokového odběru plynu. Plynová přípojka musí být zakončena ručním plynovým uzávěrem a tlakoměrem. Technické vlastnosti jednotky jsou platné pro zemní plyn o těchto parametrech: Tab. B 2 - 13 Parametry zemního plynu [12]

výhřevnost

34 MJ/m3

min. metanové číslo

80

tlak plynu

2 - 10 kPa

maximální teplota

30°C

67

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 2.4.5 Spalovací a větrací vzduch Nevyužité teplo (vysálané z horkých částí) je z KGJ odváděno nuceným větráním. Větrací vzduch vstupuje do KGJ otvory v rámu a vystupuje v čele protihlukového krytu vzduchotechnickým kolenem. Na větrací vzduch je možno napojit vzduchotechnické potrubí. Proudění větracího vzduchu zajišťuje ventilátor. Tab. B 2 - 14 Parametry spalovacího a větracího vzduchu [12]

tepelný výkon větracího vzduchu

25 kW

množství spalovacího vzduchu

846 Nm3/h

množství větracího vzduchu

5 900 Nm3/h

teplota nasávaného vzduchu min./max.

10/35°C

max. teplota vzduchu na výstupu

50°C

max. protitlak na odvodu vzduchu

95 Pa

2.4.6 Odvod spalin a kondenzátu Spaliny jsou vyvedeny z jednotky na výstupní přírubu, která je umístěna na střeše protihlukového krytu. Součástí dodávky KGJ je volně dodaný tlumič výfuku, který je určen k montáži do výstupního spalinovodu. Ten musí být od příruby po sopouch těsný. Spádování spalinovodu musí být směrem od jednotky, protože při startu jednotky nebo při nízké teplotě vstupní vody do KGJ vzniká ve spalinovodech kondenzát. Kondenzát je vhodné odvádět přes odváděč kondenzátu o výšce min. 20 cm do kanalizace. Materiál a tepelná izolace spalinovodu ve strojovně musí být odolná teplotám do 200°C. Tab. B 2 - 15 Parametry spalin a spalinovodu [12]

množství spalin

900 Nm3/h

teplota spalin jmenovitá / max.

120 / 150°C

maximální protitlak spalin za přírubou

20 mbar

rychlost spalin na výstupu (DN 150)

20,4 m/s

2.4.7 Hlukové parametry Hlukové parametry udávají úroveň akustického tlaku zvuku, měřenou ve volném zvukovém poli. Stanovení měřicích míst a způsob vyhodnocení odpovídá ČSN 09 0862. 68

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Tab. B 2 - 16 Parametry hluku [12]

protihlukový kryt v 1 m

80 dB(A)

výstup ventilace protihlukového krytu v 1 m 89 dB(A) vývod spalin v 1 m od příruby tlumiče

80 dB(A) bez přídavného tlumiče

2.4.8 Elektrické parametry Tab. B 2 - 17 Elektrické parametry [12]

jmenovité napětí

230/400 V

jmenovitý kmitočet

50 Hz

účiník

0,8 L - 0,8 C

jmenovitý proud pro cos ϕ=0,8

360 A

jistič generátoru

NSX400F 3P

zkratová odolnost rozvaděče

25 kA

krytí silové části rozvaděče ot./zavřeno

IP 31/00

krytí ovládací části rozvaděče ot./zavřeno

IP 31/00

doporučené nadřazení jištění

400 A

doporučený připojovací kabel (l<50m)

CYKY 3x240+120

2.4.9 Řídicí systém Pro ovládání KGJ je použit řídicí systém ProCon Sight, který zajišťuje plně automatický chod soustrojí. Jedná se o víceprocesorový modulární systém, sestávající z centrální části, zobrazovací jednotky a rozšiřujících modulů analogových a binárních vstupů a výstupů. 2.4.10 Rozměry a hmotnost jednotky Tab. B 2 - 18 Rozměry a hmotnost jednotky [12]

délka přepravní/celková

3 700 / 4 390 mm

šířka

1 500 mm

celková výška

2 220 mm

přepravní hmotnost

4 350 kg

provozní hmotnost

4 890 kg

69


Obr. B 2 - 3: Rozměry jednotky TEDOM Cento T200 [12]

70


3. EKONOMIKA INSTALACE A PROVOZU KOGENERAČNÍ JEDNOTKY Závěr této práce se týká ekonomické studie, ve které bude navržen optimální provoz zvolené kogenerační jednotky TEDOM Cento T200, shrnuty všechny náklady, výdaje, složení pořizovací ceny jednotky, struktura ceny elektrické energie a mnohé další informace. Tyto informaci hrají klíčovou roli při zodpovězení otázky, zda-li se pořízení kogenerační jednotky vyplatí, nebo ne.

3.1 Ceny komodit Podkladem pro finanční analýzu jsou skutečná naměřená data výchozího objektu. Vychází se také z aktuálních cen jednotlivých komodit (elektřina, pára, zemní plyn), dále jsou důležitým podkladem Cenová rozhodnutí Energetického regulačního úřadu, který stanovuje regulované ceny související s dodávkou elektřiny a plynu, a dále stanovuje výši podpory pro podporované zdroje energie. 3.1.1 Elektrická energie Elektrická energie, jakožto položka, která má zásadní vliv na ekonomiku projektu je velmi složitá veličina, jejíž cena se skládá z několika položek. Cenu elektřiny lze rozdělit na 2 základní části a daně. Jedna část je neregulovaná a druhá regulovaná. Jak je tvořena cena elektřiny: ·

Neregulovaná část o Cena za silovou elektřinu a měsíční poplatky

·

Regulovaná část o Poplatek za distribuci o Poplatek za systémové služby o Poplatek za služby operátora trhu o Příspěvek na obnovitelné zdroje energie

·

Daně

71

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Neregulovaná část je jednodušší na stanovení, navíc její výši lze měnit, jelikož tuto cenu si určují obchodníci s elektřinou. Neregulovaná část se tedy skládá z ceny za komoditu (silové elektřiny) a měsíčními poplatky, které si stanovuje obchodník. Regulovanou cenu elektrické energie určuje Energetický regulační úřad ve svých Cenových rozhodnutích. Regulace se týká poplatku za distribuci elektrické energie, poplatku za systémové služby, příspěvku na obnovitelné zdroje energie a poplatku pro operátora trhu s elektřinou. A co v sobě jednotlivé regulované poplatky skrývají? Poplatek za distribuci V poplatku za distribuci elektrické energie je zahrnuta platba za údržbu, rozvoj, bezpečnost a kvalitu elektrické sítě, kterou vlastní distribuční společnost. Je to vlastně platba za „dráty“ nízkého napětí, transformátorových stanice a podobně. V rámci distribuce je dále zahrnuta platba buď za jistič dle jeho velikosti, nebo u větších odběratelů se platí za rezervovaný příkon. Konkurence v této oblasti nehrozí, protože území České republiky je rozděleno, ještě podle původního dělení na kraje, do 3 oblastí, kde působí buď ČEZ Distribuce, PRE Distribuce nebo E.ON Distribuce. Poplatky za distribuci jdou tedy na účet místní distribuční společnosti. [13]

Obr. B 3 - 1 Území ČR dle působení distribučních společností [13]

72

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Poplatek za systémové služby V ceně tohoto poplatku jsou zahrnuty platby za služby vysokého napětí. Ten platíme za údržbu sítě, zajištění přenosů na dálku a především na zachování bezpečnosti sítě a ochranu před tzv. blackouty (hromadný výpadek elektrické energie) nebo aby nedocházelo k přeshraničním tokům energie. Tento poplatek je hrazen státní společnosti ČEPS a.s. [13] Poplatek za služby operátora trhu Tento poplatek lze najít také pod označení poplatek za činnosti zúčtování OTE. Služby operátora trhu zahrnují vyhodnocování odchylek mezi skutečnými a sjednanými dodávkami elektřiny na celém území České republiky. Dále zpracovává a zveřejňuje měsíční a roční zprávy o trhu s elektřinou. OTE je také správcem národního rejstříku emisí skleníkových plynů a má na starosti administraci systému pro vyplácení podpory podporovaných zdrojů energie. Tento poplatek jde tedy na účet OTE, a.s. [13] Poplatek na podporované zdroje energie Poslední z regulovaných poplatků se týká nejen poplatku na obnovitelné zdroje (OZE), ale také na kombinovanou výrobu elektřiny a tepla z druhotných zdrojů. Vybrané poplatky jsou přerozděleny provozovatelům podporovaných zdrojů na základě skutečného množství vyrobené energie, nejčastěji ve formě výkupních cen (nebo zelených bonusů), které jsou stanoveny každému zdroji individuálně. [13] Daně za elektrickou energii Elektřina jako samotná komodita je zdaněna aktuální výší daně z přidané hodnoty (DPH), a dále pak daní ekologickou, tzv. daní z elektřiny. Daň z elektřiny je odváděna Celní správě. Možností jak daň z elektřiny neplatit, je v případě, že elektřina je odebírána v rámci tzv. zeleného bonusu, kde elektrická energie je vyráběna výhradně z obnovitelných zdrojů energie. [13] Výsledná cena elektrické energie je tedy součtem regulovaných a neregulovaných položek vynásobené daní. Procentuální zastoupení jednotlivých položek znázorňuje následují graf. 73

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Graf B 3 - 1 Skladba ceny elektrické energie [15]

Distribuce 3% Rezervovaná kapacita 15,7%

Daň z elektřiny 1%

Příspěvek na OZE 20,2 %

Poplatek pro OTE 0,3 % Systémové služby 4,9 % Silová elektřina 55,2 %

Regulované položky

Neregulované položky

Výchozí podklady pro ekonomickou kalkulaci, z hlediska poplatků za elektrickou energii, jsou uvedeny v tabulce B 3 – 1. Tab. B 3 - 1 Skladba ceny elektrické energie [15]

Položka silová elektřina systémové služby*

Cena v Kč / MWh bez DPH 1 395,29 119,25

poplatky OTE

7,55

poplatky na OZE

495

rezervovaná roční kapacita VN použití sítí VN

114 384 Kč / rezervovanou MW 66,37

* výrobce elektřiny může provozovateli soustavy účtovat tzv. vratku ve výši 74,46 Kč/MWh, výsledný poplatek za systémové služby bude tedy 119,25 - 74,46 = 44,79 Kč/MWh.

74

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 3.1.2 Tepelná energie Řešený objekt je v současné době vytápěn pomocí předávací stanice páry. Předávací stanice je dimenzovaná na 1 500 kW. Regulace předávací stanice je řešena tzv. zaplavováním výměníku. To znamená, že škrcením odvodu kondenzátu zvyšujeme jeho výšku ve výměníku a tím snižujeme teplosměnnou plochu, kde pára může předávat teplo a kondenzovat. Oproti druhé možnosti regulace předávací stanice páry, kdy je výkon regulován škrcením přívodu páry má regulace zaplavováním tu výhodu, že nesnížený tlak páry je možno využít pro odvod kondenzátu. Předávací stanice páry je zásobována teplárenským zdrojem soustavy zásobování tepelnou energií a zde vyrobené teplo je parním potrubím dopraveno k předávací stanici páry. Pro ekonomickou kalkulaci lze počítat s cenou 1 650 Kč/MWh tepla. Tato cena, stejně jako všechny ostatní je uvedena bez DPH. 3.1.3 Zemní plyn Kogenerační jednotka je osazena spalovacím motorem zemního plynu. Proto je pro kalkulaci důležitá i cena zemního plynu. Cena zemního plynu se stejně jako elektrická energie skládá z položky regulované a neregulované. V regulované složce platby je zahrnuta cena za přepravu a distribuci plynu. V neregulované složce platba, kterou lze ovlivnit volbou obchodníka s plynem, je zahrnuta cena za uskladnění plynu v zásobních a platba za samotný zemní plyn. Tab. B 3 - 2 Skladba ceny zemního plynu [11]

Položka

Cena v Kč / MWh bez DPH

regulovaná složka

188,8

neregulovaná složka

811,2

75


3.2 Náklady na pořízení kogenerační jednotky Náklady na pořízení kogenerační jednotky lze rozdělit na cenu za jednotku plus související technologie a dále pak na cenu související s projekční činností. Tyto ceny, které se určují převážně procentuálně byly odhadnuty za přispění odborníků z praxe. 3.2.1 Pořizovací cena Dle dodavatele jednotky CENTO T200 lze tuto jednotku pořídit za 3 300 000 Kč. 3.2.2 Ostatní technologie Do této kategorie patří cena za výměníky tepla, spalinovody, odvaděče kondenzátu apod. Cenu lze určit odhadem a její obvyklá výše činí 70% z ceny kogenerační jednotky. Cena za ostatní technologie tedy činí 2 310 000 Kč. 3.2.3 Stavební úpravy Zde spadají všechny náklady spojené se stavebními úpravami objektu, včetně výstavby nového komínu. Předpokládaná výše investice je v závislosti na složitosti stávajících prostor odhadnuta na 1 200 000 Kč. 3.2.4 Projekční činnost Cena za projektovou dokumentaci je odhadnuta na 12% z celkové ceny z položek uvedených výše. Cena za projekt činí 817 200 Kč.

Tab. B 3 - 3 Shrnutí pořizovacích nákladů

Položka

Cena v Kč bez DPH

pořizovací cena

3 300 000

ostatní technologie

2 310 000

stavební úpravy

1 200 000

projekční činnost

817 200

celkové pořizovací náklady

7 627 200

76


3.3 Provozní a ostatní náklady kogenerační jednotky Rozpis nákladů, které je zapotřebí investovat v průběhu životnosti kogenerační jednotky je uveden v následujících kapitolách. Jsou zde také zahrnuty náklady spojené s financováním jednotky a jejího pojištění. 3.3.1 Údržba kogenerační jednotky Pod pojmem údržba si lze představit veškeré servisní náklady na provoz jednotky, generální opravy ale také opravy standardního charakteru vyskytující se náhodně. Náklady na údržbu se počítají v závislosti na množství vyrobené elektrické energie. Reálná cena se pohybuje okolo 350 Kč na vyrobenou megawatthodinu elektrické energie. Cena za údržbu jednotky tedy činí 383 250 Kč/rok. 3.3.2 Údržba ostatní technologie Cena za údržbu ostatní technologie se pohybuje nejčastěji okolo hodnoty 3,5 % z ceny pořizovacích nákladů na tyto technologie. Cena za údržbu ostatní technologie činí 80 850 Kč/rok. 3.3.3 Údržba stavební části Lze předpokládat minimální náklady na tuto položku, proto je její hodnota stanovena na 1% z celkových nákladů na provedené stavební úpravy. Cena za údržbu stavební části činí 12 000 Kč/rok. 3.3.4 Splátky úroků Předpokládá se, že jednotka bude pořízena na základě bankovního úvěru. Pro výpočet splátky tohoto úvěru se počítá se 6% úrokovou sazbou a výše úroku odpovídá celkovým pořizovacím nákladům. Výše splátky úroků činí dle vstupních údajů 95 077 Kč/rok.

77

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 3.3.5 Pojištění Pojištění kogenerační jednotky zahrnuje krytí rizik při živelných pohromách. Pojištění by dále mohlo pokrývat například krytí rizik při poruše strojní nebo elektronické části, včetně řídicích částí. S nadstavbovým pojištěním ovšem není počítáno. Základní pojištění jednotky činí 7 627 Kč/rok. 3.3.6 Výrobní režie Do této kategorie jsou zahrnuty všechny platby za obsluhu jednotky. Jsou zde náklady na mzdy obsluhy, poplatky za cejchování měřidel, za znečištění ovzduší apod. Cena za tyto činnosti je odhadnuta na 50 000 Kč/rok. 3.3.7 Platby z výroby elektrické energie I když si vyrobenou elektrickou energii sami vyrobíme a sami spotřebujeme v místě výrobny elektrické energie, neznamená to, že za ni nemusíme platit. Nemusíme platit pouze za silovou elektřinu, jako za komoditu, a také za distribuční služby ale musíme platit za služby s ní spojené. Výše těchto poplatků je stanovena Energetickým regulačním úřadem a vztahuje se na každou vyrobenou megawatthodinu elektrické energie ve výrobně. Platbami souvisejícími s výrobou elektrické energie jsou: a) platba za systémové služby, jejíž výše jde dle Cenového rozhodnutí 119,25 Kč/MWh, přičemž výrobce elektrické energie může provozovateli soustavy účtovat tzv. vratku ve výši 74,46 Kč/MWh. Výsledná cena tedy činí 119,25 - 74,46 = 44,79 Kč MWh, b) platba za činnosti operátora trhu, jejíž výše je stanovena na 7,55 Kč/MWh, c) příspěvek na obnovitelné zdroje energie, který je stanoven na 495 Kč/MWh

78

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Tab. B 3 - 4 Shrnutí provozních nákladů

Položka

Cena v Kč/rok bez DPH

údržba kogenerační jednotky

383 250

údržba ostatní technologie

80 850

údržba stavební části

12 000

splátky úroků

95 077

pojištění

7 627

výrobní režie

50 000

platba za systémové služby

49 018

platba za OTE

8 263

příspěvek na OZE celkové provozní náklady

541 728 1 227 813

3.4 Výše podpory za KVET a výkupní cena elektrické energie Podpora pro výrobny KVET se dělí na dvě části. Výrobce elektrické energie může pobírat podporu v podobě zelených bonusů, které hradí OTE a.s. a dále pak může čerpat podporu v podobě výkupních cen, které si sjedná s vykupujícím nebo s povinně vykupujícím. Rozdíl mezi vykupujícím a povinně vykupujícím je ten, že pokud se výrobce nedohodne s obchodníkem s elektřinou na ceně za silovou elektřinu na základě dvoustranné smlouvy, může být pro výrobce elektrické energie výhodnější nabídnout tuto elektřinu povinně vykupujícímu, kterého určí Ministerstvo průmyslu a obchodu, a který je povinen uhradit výrobci rozdíl mezi výkupní cenou a zeleným bonusem. [17] Systém podpory výplat pro výrobce elektrické energie popisuje následující diagram.

79


Obr. B 3 - 2 Finanční toky výplaty podpory výroby elektrické energie [17]

3.4.1 Výše podpory za KVET Výše podpory za výrobu elektrické energie se skládá ze základní sazby ročního zeleného bonusu a doplňkové sazby I dle paliva, které výrobna spaluje. Pro určení základní sazby ročního zeleného bonusu na elektřinu pro výrobnu KVET je zapotřebí ji nejprve zařadit do správné kategorie. Pro navrženou jednotku platí cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 4/2013 ze dne 27. listopadu 2013, kterým se stanovuje podpora pro podporované zdroje energie. Dle tohoto Cenového rozhodnutí spadá navržená jednotka do kategorie výrobny KVET s instalovaným výkonem do 5MW (včetně). Tab. B 3 - 5 Základní sazba ročního zeleného bonusu [16] Druh podporovaného zdroje Kombinovaná výrobna elektřiny a tepla s výjimkou výroben uplatňujících podporu podle bodu (1) a/nebo (2.1.) cenového rozhodnutí a s výjimkou spalování komunálního odpadu

Instalovaný výkon výrobny [kW] od do (včetně) 0 200 0 200 0 200 200 1000 200 1000 200 1000 1000 5000 1000 5000 1000 5000

Provozní hodiny Zelené bonusy [h/rok] [Kč/MWh] 3000 1610 4400 1150 8400 220 3000 1150 4400 750 8400 140 3000 800 4400 470 8400 45

Dle Tab. B 3 - 5 činí roční sazba zeleného bonusu 1 150 Kč/MWh.

80

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Doplňková sazba za palivo, které jednotka spaluje, se určí z tabulky B 3 – 6. Tab. B 3 - 6 Doplňková sazba I k základní sazbě [16]

Druh podporovaného zdroje Výrobna elektřiny spalující čistou biomasu Výrobna elektřiny spalující (samostatně) plyn ze zplyňování pevné biomasy Výrobna elektřiny spalující bioplyn v bioplynové stanici

Datum uvedení do provozu od do (včetně) (včetně) 1.1.2013 31.12.2013 1.1.2014 31.12.2014 1.1.2013 31.12.2013

Instalovaný výkon výrobny [kW] do od (včetně) 0 5000 0 5000 0 2500

Kategorie Zelené biomasy a bonusy proces [Kč/MWh] využití O 100 O 455 O 455

1.1.2014

31.12.2014

0

2500

O

755

1.1.2013

31.12.2013

0

2500

AF

455

Nová výrobna elektřiny spalující bioplyn v bioplynové stanici splňující podmínku bodu (3.5.2.)

1.1.2014

31.12.2014

0

550

AF

900

Výrobna elektřiny spalující důlní nebo degazační plyn

1.1.2013

31.12.2014

0

5000

-

455

Výroba elektřiny spalováním komunálního odpadu nebo společným spalováním komunálního odpadu s různými zdroji energie

-

31.12.2012

0

5000

-

155

Výrobna elektřiny spalující (samostatně) zemní plyn

-

31.12.2014

0

5000

-

455

Dle Tab. B 3 - 6 činí doplňková sazba I 455 Kč/MWh Výsledná výše podpory za KVET se vypočte dle vztahu: ‫ܥ‬௭௕ ൌ ‫ܧ‬௞௩௘௧ ή ሺܼ‫ܤ‬௭௔௞௟Ǥ௦௔௭௕௔ ൅ ܼ‫ܤ‬ௗ௢௣௟௡̴ூ ሻ ‫ܥ‬௭௕ ൌ Ͳǡʹ ή ͶͶͲͲ ή ሺͳͳͷͲ ൅ Ͷͷͷሻ

࡯ࢠ࢈ ൌ ૚૝૚૛૝૙૙ࡷčȀ࢘࢕࢑

Kde: ‫ܥ‬௭௕

celková výše podpory KVET

‫ܧ‬௞௩௘௧

množství elektřiny vyrobené v KVET

ܼ‫ܤ‬ௗ௢௣௟௡̴ூ

doplňková sazba I k základní sazbě zeleného bonusu

ܼ‫ܤ‬௭௔௞௟Ǥ௦௔௭௕௔ základní sazba zeleného bonusu

81

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 3.4.2 Výkupní cena elektrické energie Pro stanovení výkupní ceny elektrické energie je třeba znát, v jakém režimu bude jednotka provozována, jelikož výkupní cena je závislá na více faktorech (době výroby elektřiny, její množství atd.). Souhrn těchto faktorů potom udává výslednou dohodnutou výkupní cenou mezi výrobcem a vykupujícím. Výše dohodnuté výkupní ceny mezi výrobcem a vykupujícím činí dle sdělení E.ON Energie a.s. 955 Kč/MWh. Dle takto sjednané výkupní ceny lze celkový zisk z prodeje elektrické energie vypočítat: ܼ௣௥௢ௗ ൌ ‫ܧ‬௣௥௘௕ ή ‫ܥܸܦ‬

ܼ௣௥௢ௗ ൌ Ͷǡ͸ ή ͻͷͷ

ࢆ࢖࢘࢕ࢊ ൌ ૝૜ૢ૜ࡷčȀ࢘࢕࢑

Kde:

ܼ௣௥௢ௗ

‫ܧ‬௣௥௘௕

‫ܥܸܦ‬

Zisk z prodané elektrické energie Množství přebytečné elektrické energie Dohodnutá výkupní cena silové elektřiny

3.5 Dosavadní platby Dle provozovatele řešeného objektu se roční platby za elektrickou energii a energii tepelnou ve formě páry, přepočtené na měrnou jednotku, pohybovaly dle hodnot uvedených v Tab. B 3 - 7. Tyto hodnoty byly převzaty z faktur za rok 2012. Tab. B 3 - 7 Výše dosavadních plateb za měrnou jednotku [11]

Druh energie

Platba [Kč/kWh]

Elektrická energie

2,43

Tepelná energie

1,65

82


3.6 Návratnost investice Pro výpočet doby návratnosti této investice bude použita metoda prosté návratnosti. Tab. B 3 - 8 Souhrn vstupních hodnot

SOUHRN VSTUPNÍCH HODNOT Pořizovací náklady na kogenerační jednotku Položka

Cena v Kč bez DPH

pořizovací cena

3 300 000

ostatní technologie

2 310 000

stavební úpravy

1 200 000

projekční činnost

817 200

celkové pořizovací náklady

7 627 200

Provozní náklady a platby z výroby elektřiny Položka


údržba kogenerační jednotky

383 250

údržba ostatní technologie

80 850

údržba stavební části

12 000

splátky úroků

95 077

pojištění

7 627

výrobní režie

50 000

platba za OZE

541 728

platba za SYS

49 018

platba OTE

8 263

celkové provozní náklady

1 227 813

Zisk z výroby a prodeje elektrické energie Položka zelený bonus prodej elektřiny celkový zisk

Cena v Kč/rok bez DPH 1 412 400 4 393 1 416 793

83

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Původní náklady na nákup energií Položka


elektrická energie

5 956 173

tepelná energie

4 471 050

celkové současné náklady

10 427 223

Budoucí náklady na nákup energií Položka


elektrická energie

3 295 080

tepelná energie

2 186 250

zemní plyn

3 664 051

celkové budoucí náklady

9 145 381

3.6.1 Výpočet prosté návratnosti Výpočet prosté návratnosti je založen na porovnání současných nákladů na vytápění a dodávku elektrické energie s náklady na dodávku těchto energií ve spolupráci s kogenerační jednotkou, která tyto energie vyrábí ze zemního plynu. Dle níže uvedené tabulky je patrné, že ze současných plateb za energie ve výši 10 427 223 Kč se náklady na nákup těchto energií sníží na 9 145 381 Kč. K těmto nákladům je třeba ještě připočítat náklady na provoz kogenerační jednotky, které jsou ve výši 1 227 813 Kč. Podstatnou položkou v celkové bilanci je bonifikace vyrobené elektrické energie. Ta činí 1 416 793 Kč. Pokud by stát nepodporoval elektřinu vyrobenou v kogeneračních jednotkách a tato položka by byla nulová, návratnost investice by byla okolo 140 let. Díky podpoře jsou budoucí náklady oproti současným nižší o 1 470 822 Kč. Pokud tedy porovnáme výši investičních nákladů na pořízení kogenerační jednotky a roční úsporu za nákup energií, vychází návratnost na 5,2 let.

84

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část Tab. B 3 - 9 Výpočet prosté návratnosti

PROSTÁ NÁVRATNOST Položka

Cena v Kč bez DPH

investiční náklady

7 627 200

současné roční náklady na nákup energií budoucí roční náklady na nákup energií

10 427 223 9 145 381

budoucí provozní náklady

1 227 813

budoucí zisk z výroby elektrické energie

1 416 793

rozdíl

1 470 822

prostá návratnost

5,2 let

Graf B 3 - 2 Návratnost investice

Návratnost 4 000 000 3 000 000 2 000 000

Název osy

1 000 000 0 -1 000 000 -2 000 000 -3 000 000

-4 000 000 -5 000 000 -6 000 000 -7 000 000

1. rok

Návratnost -6 156 37

2. rok -4 685 55

3. rok

4. rok

-3 214 73 -1 743 91

5. rok -273 092

6. rok

7. rok

1 197 730 2 668 552

85

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie B. Praktická část 3.6.2 Návratnosti zbývajících porovnávaných jednotek Pro srovnání a potvrzení, že vybraná jednotka dosahuje opravdu nejlepších parametrů jak technických, tak také ekonomických, je přiložena následující tabulka, která je vypočtena stejnou metodou jako jednotka Cento T200. Tab. B 3 - 10 Srovnání návratností všech vybraných jednotek

Jednotka

Cento T200 s útlumem

Cento T200

Položka

Cento T180

Cena v Kč bez DPH

investiční náklady

7 627 200

7 627 200

7 246 400

celkové současné roční náklady

10 427 223

10 427 223

10 427 223

celkové budoucí roční náklady

9 145 381

9 46 260

9 238 456

provozní náklady

1 227 813

1 166 225

1 152 913

zisk z prodeje elektrické energie

1 416 793

1 412 400

1 271 160

rozdíl

1 470 822

1 427 138

1 307 014

5,2 let

5,3 let

5,5 let

prostá návratnost

Z tabulky B 3 - 10 je patrné, že zvolená jednotka opravdu dosahuje nejlepší návratnosti v porovnání s ostatními jednotkami. Graf B 3 - 3 Porovnání návratností

Název osy

Porovnání návratností 4 000 000 3 000 000 2 000 000 1 000 000 0 -1 000 000 -2 000 000 -3 000 000 -4 000 000 -5 000 000 -6 000 000 -7 000 000

1. rok

2. rok

3. rok

4. rok

5. rok

-6 156 37

-4 685 55

-3 214 73

-1 743 91

-273 090

T200 s útl. -6 200 06

-4 772 92

-3 345 78

-1 918 64

-491 510

935 628

2 362 766

T180

-4 632 37

-3 325 35

-2 018 34

-711 328

595 686

1 902 700

T200

-5 939 38

6. rok

7. rok

1 197 732 2 668 554

86


4. ZÁVĚR Cílem této diplomové práce bylo navrhnout vhodnou kogenerační jednotku do dané budovy ubytovacího charakteru. Dle poskytnutých podkladů a navazujících výpočtů byly provedeny optimalizace jak samotných vybraných kogeneračních jednotek, tak i různé provozní režimy vybrané jednotky. To vše vedlo k závěrečné volbě jednotky Cento T200 společnosti TEDOM a.s. Jedná se o jednotku spalující zemní plyn s elektrickým výkonem 200 kW a tepelným výkonem 253 kW. Jednotka bude v provozu 24 hodin denně po dobu 228 dní. Návratnost této investice byla vypočtena na 5,2 let, což pro provozovatele nemovitosti může být výsledek, který povede k zamyšlení se nad tím, jaké výhody mu přinese pořízení této jednotky. Takto dobrá doba návratnosti je ale zapříčiněna státní podporou pro elektřinu vyrobenou v kogeneračních jednotkách. Bez této podpory, o které se každoročně mluví a její výše se mění dle cenových rozhodnutí ERÚ, by se doba návratnosti pohybovala okolo 140 let. Z tohoto pohledu je patrné, jak důležitá je tato státní podpora pro provozovatele kogeneračních jednotek. Tato práce byla sepsána pod dohledem mnoha odborníků z praxe, kteří se četnými poznámkami a připomínkami vyjadřovali k dílčím částem diplomové práce. Bez jejich pomoci by tato práce nedosahovala takových rozměrů, jelikož náročnost tohoto tématu je velmi široká. Postupy aplikované v této práci by měly sloužit jako „kuchařka“ pro návrh kogenerační jednotky. Tyto postupy lze s jistými modifikacemi uplatnit jak pro rodinné domy, tak i pro širokou škálu administrativních budov, hotelů, rekreačních zařízení a dalších objektů s vyšší spotřebou elektrické energie a tepla.

87

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část

C. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST V rámci experimentální části této diplomové práce byly zpracovány údaje z denních měření spotřeb elektrické energie. Tato data slouží také jako výchozí podklad pro návrh kogenerační jednotky, řešené v praktické části. Měření spotřeby elektrické energie je zaznamenáváno ve čtvrthodinových intervalech a následně je proveden jejich součet. Tím je dána hodinová spotřeba elektrické energie. Následující tabulky a grafy jsou náhodným výběrem z dat půlročního automatického zaznamenávání spotřeb elektrické energie. Výběr dat byl proveden z období od měsíce června 2012 do listopadu 2012. Pro experimentální část je vybrán obvykle jeden den v týdnu a pro něj je zpracován denní průběh spotřeb.

88

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část Hlavní měření spotřeby elektrické energie - 4.6.2012 0:00 - 5.6.2012 0:00 Hodina 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-0 Celkem Čth. max.

1/4 236 236 236 236 224 272 324 424 472 436 384 384 384 384 368 376 332 304 312 316 332 288 256 228

2/4 220 212 212 228 260 300 336 460 440 440 380 412 404 392 384 364 320 272 320 360 324 296 260 208

3/4 236 224 224 232 284 296 396 400 416 416 380 416 396 376 384 368 308 312 352 312 364 272 252 224

4/4 220 216 212 208 276 320 408 416 440 404 396 396 368 380 376 376 284 348 340 336 300 276 264 216

(8:15)

Celkem 228 222 221 226 261 297 366 425 442 424 385 402 388 383 378 371 311 309 331 331 330 283 258 219 7791 kWh 472 kW

Spotřeba elektrické energie 4.6.2012 500 450

Spotřeba [kWh]

400 350 300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

89


1/4 252 232 240 220 216 232 280 364 316 328 292 272 260 268 240 256 260 252 248 244 256 260 268 224

2/4 260 244 220 220 232 252 336 356 31 304 272 280 256 260 268 252 260 256 244 268 256 264 236 224

3/4 240 240 208 220 228 292 316 332 328 284 292 256 280 280 264 248 240 228 248 256 284 252 240 228

4/4 228 256 216 208 204 280 312 340 328 296 300 276 260 260 248 240 240 252 268 252 280 248 240 228

(7:15)

Celkem 245 243 221 217 220 264 311 348 319 303 289 271 264 267 255 249 250 247 252 255 269 256 246 226 6287 kWh 364 kW

Spotřeba elektrické energie 12.6.2012 400

Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

90

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část Hlavní měření spotřeby elektrické energie - 18.6.2012 0:00 - 19.6.2012 0:00 Hodina 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7- 8 8- 9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-0 Celkem Čth. max.

1/4 232 208 196 212 200 208 284 296 404 384 348 316 320 340 296 336 348 308 276 288 276 308 336 280

2/4 220 200 192 208 212 228 272 356 376 392 360 328 304 356 284 352 355 284 276 276 288 308 296 288

3/4 220 200 200 212 208 268 320 348 376 368 360 336 312 296 264 320 356 296 276 284 288 308 292 268

4/4 232 216 200 208 204 268 300 384 384 364 348 324 308 328 336 304 328 296 288 288 316 308 288 232

(8:15)

Celkem 226 206 197 210 206 243 294 346 385 377 354 326 311 330 295 328 347 296 279 284 292 308 303 267 7010 kWh 404 kW


Spotřeba [kWh]

350 300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

91

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část Hlavní měření spotřeby elektrické energie - 26.6.2012 0:00 - 27.6.2012 0:00 Hodina 0- 1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-0 Celkem Čth. max.

1/4 224 220 212 208 216 264 320 424 392 336 280 280 284 296 240 264 248 264 228 256 236 240 256 224

2/4 220 208 208 216 204 280 372 416 340 284 296 272 256 276 220 260 272 252 232 236 232 248 248 204

3/4 212 220 200 208 224 292 404 436 316 300 308 264 296 268 248 308 264 236 244 236 236 268 244 204

4/4 216 204 216 200 216 320 424 428 320 292 324 272 308 228 268 244 260 248 244 232 256 252 220 192

( 7:45)

Celkem 218 213 209 208 215 289 380 426 342 303 302 272 286 267 244 269 261 250 237 240 240 252 242 206 6371 kWh 436 kW


Spotřeba [kWh]

350 300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

92


1/4 216 204 184 192 180 216 268 268 296 316 256 216 248 276 240 248 252 268 256 240 292 304 292 292

2/4 188 184 200 200 232 232 240 260 276 264 288 292 288 236 248 272 260 276 232 236 260 288 288 256

3/4 224 208 180 180 188 264 268 292 296 300 244 264 252 252 244 256 240 232 260 228 284 344 284 272

4/4 180 208 204 200 200 248 244 276 268 308 268 296 264 240 280 276 256 264 260 280 276 292 284 236

(21:45)

Celkem 202 201 192 193 200 240 255 274 284 297 264 267 263 251 253 263 252 260 252 246 278 307 287 264 6045 kWh 344 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

93


1/4 236 212 208 216 212 212 308 400 408 376 396 312 316 316 312 328 312 252 304 304 300 296 276 220

274 228 208 204 208 224 304 364 356 380 380 356 324 336 288 292 304 288 284 296 288 304 264 272 244

3/4 248 236 232 204 220 276 352 396 376 356 344 300 316 324 328 312 276 280 296 300 256 308 252 256

4/4 232 224 208 212 204 312 304 404 400 396 328 312 320 288 292 260 304 252 320 288 296 272 284 216

(8:15)

Celkem 236 220 213 210 215 276 332 389 391 377 356 312 322 304 306 301 295 267 304 295 289 285 271 234 7000 kWh 408 kW


Spotřeba [kWh]

350

300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

94


1/4 184 196 164 172 176 200 224 232 248 236 252 288 300 340 280 256 264 260 236 288 296 284 296 223

2/4 163 168 184 188 180 192 244 252 284 240 280 288 284 288 272 288 220 268 296 268 252 288 316 252

3/4 200 184 164 172 176 212 256 264 244 268 288 348 300 312 296 254 280 248 280 292 292 276 252 224

4/4 158 172 196 200 188 208 248 276 256 236 292 312 272 260 268 240 236 260 280 264 284 304 280 236

(11:45)

Celkem 180 180 177 183 180 203 243 256 258 245 278 309 289 300 279 262 250 259 273 278 281 288 286 235 5972 kWh 348 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

95


1/4 208 188 168 188 188 220 232 316 292 272 260 240 260 244 240 228 248 264 216 240 252 272 220 196

2/4 184 188 176 172 180 216 284 328 324 276 236 236 240 240 260 248 252 224 232 244 268 236 236 216

3/4 180 172 176 200 204 240 288 312 300 296 288 212 248 268 256 256 252 220 256 232 248 260 216 192

4/4 134 188 164 172 184 240 260 300 288 288 252 240 220 272 260 243 240 240 236 248 248 264 212 212

(7:30)

Celkem 189 184 171 183 189 229 266 314 301 283 259 232 242 256 254 245 248 237 235 241 254 258 221 204 5695 kWh 328 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

96


1/4 188 164 200 168 164 200 212 284 260 220 240 236 236 248 228 232 200 224 212 232 244 244 216 212

2/4 164 188 160 196 176 192 232 244 248 232 212 272 228 232 256 232 236 260 240 216 232 264 208 204

3/4 172 176 164 172 192 204 244 240 236 224 236 272 256 220 228 248 240 232 220 228 264 220 220 192

4/4 196 164 172 180 172 236 276 240 240 244 256 216 232 228 224 260 244 240 236 216 236 240 196 200

(7:15)

Celkem 180 173 174 179 176 208 241 252 246 230 236 249 238 232 234 243 230 239 227 223 244 242 210 202 5308 kWh 284 kW


Spotřeba [kWh]

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

97


1/4 256 200 196 212 256 244 296 364 360 332 320 324 308 312 320 308 312 300 260 292 272 312 284 220

21'4 248 196 200 208 212 268 348 354 316 324 320 320 320 316 308 304 308 320 288 256 304 304 264 248

3/4 192 208 200 196 220 264 360 328 292 344 328 300 336 308 308 316 320 296 252 304 304 312 292 220

4/4 204 244 204 204 208 296 288 304 356 328 328 304 320 304 312 308 292 296 284 324 276 300 304 236

(7:15)

Celkem 225 212 200 205 224 268 323 340 331 332 324 312 321 310 312 309 308 303 271 294 289 307 286 231 6837 kWh 364 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

98

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část Hlavní měření spotřeby elektrické energie - 13.8.2012 0:00 - 14.8.2012 0:00 Hodina 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-0 Celkem Čth max.

1/4 256 252 236 244 240 232 360 343 384 404 404 360 332 336 348 336 320 328 360 388 364 388 384 360

2/4 236 232 224 228 212 248 344 380 404 356 360 356 360 328 320 320 344 328 388 372 388 388 376 336

3/4 228 236 216 216 228 320 364 352 392 344 344 344 344 352 332 324 352 328 384 388 400 384 376 340

4/4 248 240 228 240 244 316 376 372 380 384 328 336 376 352 340 320 344 344 380 380 400 412 364 300

(22:00)

Celkem 242 240 226 232 231 279 361 363 390 372 359 349 353 342 335 325 340 332 378 382 388 393 375 334 7621 kWh 412 kW


Spotřeba [kWh]

350

300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

99


1/4 258 284 276 280 252 292 328 388 372 356 388 392 360 352 372 388 388 364 392 380 396 380 368 280

2/4 280 256 252 292 312 312 380 428 396 380 368 376 360 352 368 360 440 360 388 368 380 380 344 292

3/4 268 276 256 292 296 320 352 412 372 380 356 372 360 340 384 364 364 368 388 384 406 396 320 292

4/4 288 264 272 260 288 328 360 388 316 380 380 368 368 364 372 334 364 364 396 372 388 376 304 288

(16:30)

Celkem 275 270 264 281 287 313 355 404 364 374 373 377 362 352 374 374 389 364 391 376 393 383 334 288 8318 440


Spotřeba [kWh]

350

300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

100


1/4 244 220 220 220 208 228 296 320 340 288 372 376 340 356 352 356 348 328 372 344 344 352 308 312

2/4 228 232 228 216 236 240 300 320 356 364 376 372 344 340 352 340 348 348 380 368 332 332 320 292

3/4 220 228 216 212 228 260 312 332 332 380 360 368 348 324 328 352 340 352 372 368 344 324 304 292

4/4 224 224 220 220 228 276 344 336 308 380 356 348 336 340 332 332 348 340 360 364 344 324 308 280

(9:45)

Celkem 229 226 221 217 225 251 313 327 334 353 366 366 342 340 341 345 346 342 371 361 341 333 310 294 7494 kWh 330 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

101


1/4 228 216 204 196 200 244 244 252 232 264 272 268 272 272 256 260 250 260 268 268 288 296 252 232

2/4 220 212 204 208 212 272 280 292 316 284 300 284 272 264 260 268 264 268 272 280 284 288 248 232

3/4 216 212 220 208 204 236 240 236 244 272 268 272 276 256 264 260 264 264 272 280 292 292 252 236

4/4 236 216 204 212 240 268 292 288 284 276 272 272 272 260 260 260 260 268 284 280 292 276 244 224

(8:30)

Celkem 225 214 208 206 214 255 264 267 269 274 278 274 273 263 260 262 262 265 274 277 289 288 249 231 6141 kWh 316 kW


Spotřeba [kWh]

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

102


1/4 208 200 180 196 192 212 312 356 360 344 296 272 316 300 296 280 288 264 316 352 344 340 340 296

2/4 188 196 184 188 192 244 336 380 332 316 308 276 304 308 304 288 300 284 340 360 344 344 312 268

3/4 196 184 184 200 188 276 348 392 316 328 308 292 304 308 304 280 276 304 360 308 348 344 320 264

4/4 184 196 192 184 192 288 340 360 368 296 268 296 308 304 276 300 276 324 360 340 340 328 320 260

(7:45)

Celkem 194 194 185 192 191 255 334 372 344 321 295 284 308 305 295 287 285 294 344 340 344 339 323 277 6902 kWh 392 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

103


1/4 204 248 188 208 192 248 388 340 388 312 308 300 300 292 296 300 292 284 276 356 296 244 224 192

2/4 192 240 200 212 216 300 368 384 352 340 324 296 308 332 300 292 324 280 324 328 292 236 216 208

3/4 208 236 220 208 216 328 328 384 344 332 316 320 292 284 312 288 308 300 360 264 284 248 200 196

4/4 240 204 220 184 220 352 340 372 344 332 320 300 316 276 304 316 332 268 308 288 276 228 208 196

(6:15)

Celkem 211 232 207 203 211 307 356 370 357 329 317 304 304 296 303 299 314 283 317 309 287 239 212 198 6765 kWh 388 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

104

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část Hlavní měření spotřeby elektrické energie - 2.10.2012 0:00 - 3.10.2012 0:00 Hodina 0- 1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-0 Celkem Čth. max

1/4 192 212 196 184 184 208 292 320 336 284 276 260 240 276 272 252 280 252 264 276 276 276 284 220

2/4 208 196 176 184 196 212 280 300 292 296 256 276 292 264 264 260 240 272 252 300 264 304 248 220

3/4 130 188 188 176 204 248 300 292 296 288 296 240 268 300 240 260 280 244 272 284 296 284 240 232

4/4 192 184 208 216 212 260 292 300 316 316 280 268 260 256 276 256 272 268 252 316 296 272 240 196

(8:15)

Celkem 193 195 192 190 199 232 291 303 310 296 277 261 265 274 263 257 268 259 260 294 283 284 253 217 6116 kWh 336 kW


Spotřeba [kWh]

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

105


1/4 224 196 192 200 220 244 308 360 376 392 368 372 376 372 320 328 308 308 324 368 348 352 332 276

2/4 228 200 200 192 200 260 292 408 360 360 388 348 388 340 344 304 312 312 332 340 332 328 320 256

3/4 208 220 196 192 204 248 316 404 360 372 372 368 364 348 356 300 300 328 376 336 336 332 284 256

4/4 204 196 220 192 220 284 344 412 372 372 352 392 352 356 348 304 320 304 352 384 324 332 276 244

( 8:00)

Celkem 216 203 202 194 211 259 315 396 367 374 370 370 370 354 342 309 310 313 346 357 335 336 303 258 7410 kWh 412 kW


Spotřeba [kWh]

350 300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

106


1/4 200 192 196 200 188 216 296 396 408 400 392 352 336 372 336 324 320 300 344 348 336 324 292 264

2/4 204 208 188 216 208 244 312 416 388 372 384 348 340 360 324 324 320 308 360 356 332 352 280 260

3/4 200 200 188 188 212 264 360 404 400 376 348 344 344 368 324 304 360 296 340 360 332 320 276 252

4/4 196 208 200 200 232 272 384 396 408 392 352 344 364 344 324 296 308 304 340 344 316 312 284 240

(7:30)

Celkem 200 202 193 201 210 249 338 403 401 385 369 347 346 361 327 312 327 302 346 352 329 327 283 254 7364 kWh 416 kW


Spotřeba [kWh]

350 300 250 200

150 100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

107

Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie C. Experimentální část Hlavní měření spotřeby elektrické energie - 22.10.2012 0:00 - 23.10.2012 0:00 Hodina 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-0 Celkem Čth. max

1/4 228 220 208 204 204 220 252 268 292 300 324 328 292 300 332 332 340 296 328 284 260 272 256 212

2/4 220 220 212 192 200 252 252 308 324 324 340 324 324 300 336 310 332 300 344 284 264 288 236 208

3/4 220 216 204 192 204 264 268 288 308 300 320 340 332 308 336 304 280 328 320 272 260 272 212 208

4/4 220 208 196 196 196 244 276 280 292 336 352 308 320 336 356 332 288 304 292 288 288 252 220 196

(15:00)

Celkem 222 216 205 196 201 245 262 286 304 315 334 325 317 311 340 321 310 307 321 282 268 271 231 206 6596 kWh 356 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

108


1/4 244 220 224 224 200 200 252 300 336 364 324 320 300 300 312 268 272 260 260 288 264 260 264 228

2/4 232 224 212 216 200 228 256 320 363 348 312 332 296 300 300 280 276 244 272 276 256 252 248 216

3/4 223 228 208 208 200 220 284 340 356 320 284 316 288 296 288 264 252 260 260 260 276 244 240 216

4/4 220 220 224 212 200 220 304 352 384 316 296 276 280 296 284 280 260 280 272 268 272 248 236 200

(9:00)

Celkem 231 223 217 215 200 217 274 328 359 337 304 311 291 298 296 273 265 261 266 273 267 251 247 215 6419 kWh 334 kW


Spotřeba [kWh]

350

300

250

200

150

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

109


1/4 255 208 217 193 190 216 326 382 417 382 299 351 343 370 373 299 309 300 340 356 327 312 272 219

2/4 252 210 216 188 221 242 373 393 422 342 337 371 308 410 343 282 299 324 349 348 318 294 246 223

3/4 232 208 204 186 211 290 393 374 389 325 337 414 316 432 340 301 292 331 326 340 325 296 239 210

4/4 218 211 203 188 207 296 367 389 424 296 347 400 314 417 329 314 312 330 344 335 318 290 221 212

(13:45)

Celkem 239 209 210 189 207 261 365 385 413 336 330 384 320 407 347 299 303 321 340 345 322 298 245 216 7291 kWh 432 kW


Spotřeba [kWh]

350 300 250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

110


1/4 222 204 204 194 189 235 303 365 411 373 351 348 322 345 332 321 329 321 321 359 357 331 282 258

2/4 216 203 204 194 215 269 350 373 396 370 336 339 310 334 308 330 337 334 343 358 334 312 282 259

3/4 210 200 197 189 211 276 369 406 376 334 329 340 310 342 301 318 339 340 348 370 324 315 285 239

4/4 207 205 200 191 207 278 373 405 400 355 357 304 331 339 315 315 345 342 357 332 353 294 261 233

(8:15)

Celkem 214 203 201 192 206 265 349 387 396 358 343 332 318 340 314 321 338 334 343 355 342 313 278 247 7288 kWh 411 kW


Spotřeba [kWh]

350 300

250 200 150 100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [hodiny]

111


Seznam použité literatury [1] Sdružení pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla COGEN czech. COGEN CZECH. Http://www.cogen.cz/ [online]. 2013 [cit. 2013-12-23]. Dostupné z: http://www.cogen.cz/ downld/357.pdf [2]

JAROSLAV KRBEK, Bohumil Polesný. Kogenerační jednotky - zřizování a provoz. 1. vyd. Praha: GAS, 2007. ISBN 978-807-3281-519.

[3] DVORSKÝ, Emil a Pavla HEJTMÁNKOVÁ. Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2005, 281 s. ISBN 80-730-0118-7. [4] PRAŽSKÁ TEPLÁRENSKÁ A.S. Princip společné výroby tepelné a elektrické energie | Pražská teplárenská a.s. [online]. 2013 [cit. 2013-12-23]. Dostupné z: http://www.ptas.cz/cs/ dodavky-tepla/jak-to-funguje/schema-vyroby-a-dodavektepla/princip-spolecne-vyroby-tepelne-a-elektricke-energie/ [5] MOTORGAS S.R.O. Kogenerační jednotky, kogenerace, trigenerace, plynové motory Praha, 2012. Dostupné z: http://www.motorgas.cz/gallery/2/778typlist_mgm40_indoor_zp_ 500mgnox_cz.pdf [6] SMETANOVÁ, Denisa. Kogenerační jednotka [online]. 2012[cit. 2013-12-23]. ISBN 97880-01-05071-2. Dostupné z: http://www1.fs.cvut.cz/stretech/2012/sbornik/6.pdf [7] DR. ING. KUBÍN, Milan. Kogenerační technologie pro odbornou praxi. Brno, 2013. [8] ING. DLOUHÝ, Tomáš, CSc. ČVUT PRAHA FSI. Kotelny a kogenerační jednotky [online]. Praha, 2002 [cit. 2013-12-23]. Dostupné z: http://fsinet.fsid.cvut.cz/cz/U207/U2072 /projektII.pdf [9] BAŠTA, Jiří. Topenářská příručka: 120 let topenářství v Čechách a na Moravě. 1. vyd. Praha: GAS, 2001, 2395 s. ISBN 80-86176-82-71. [10] RAEN SPOL, s.r.o. Návrh a provoz kogeneračních jednotek. Praha, 2000. Dostupné z: http://www.mpo-efekt.cz/dokument/008153.pdf [11] Data provozovatele nemovitosti [12] TEDOM A.S. 06_TS_Cento T200_PK_D01__zm.F_. Hořovice, 2012.

112


[13] Účet za elektřinu. Za co vlastně platíme?. VINŠOVÁ, Michalela. Peníze.cz [online]. 2013 [cit. 2013-12-23]. Dostupné z: http://www.penize.cz/nakupy/259853-ucet-za-elektrinu-zaco-vlastne-platime [14] FREEMETEO.COM. Počasí Brno: Historie počasí: Denní archív [online]. 2012 [cit. 2013-12-23]. Dostupné z: http://www.freemeteo.com/default.asp?pid=155&la=12&gid= 3078610&monthFrom=1&yearFrom=2012&sid=117230 [15] 1. Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 5/2013 ze dne 27. listopadu 2013, kterým se stanovují regulované ceny související s dodávkou elektřiny. In: Jihlava, 2013. Dostupné z: http://www.eru.cz/user_data/files/ERV/2013/ERV8_2013 titul_konec_fin.pdf [16] 1. Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 4/2013 ze dne 27. listopadu 2013, kterým se stanovuje podpora pro podporované zdroje energie. In: Jihlava, 2013. Dostupné z: http://www.eru.cz/user_data/files/ERV/2013/ERV7_2013titul_konec_fi.pdf [17] ING. BRONISLAV, Bechník, Ph.D. Změna systému výplaty podpory obnovitelných zdrojů od 1. ledna 2013. TZB-info [online]. 2012 [cit. 2013-12-23]. Dostupné z: http://oze.tzb-info.cz/9299-zmena-systemu-vyplaty-podpory-obnovitelnych-zdroju-od-1ledna-2013 [18] Zpracováno E.ON Energie, a.s. na základě poskytnutých dat

113


Seznam použitých zkratek KJ, KGJ

kogenerační jednotka

KVET

kombinovaná výroba elektrické energie a tepla

ORC

organický rankinův cyklus

HT

měrná spotřeba páry pro vytápění a vzduchotechniku

HTP

průměrná měrná spotřeba páry pro vytápění a vzduchotechniku

ČOV

čistírna odpadních vod

NT

nízkotlaká pára

VT

vysokotlaká pára

ZP

zemní plyn

LTO

lehký topný olej

TV

teplá voda

ÚT

ústřední vytápění

VZT

vzduchotechnika

CZT

centralizované zásobování teplem

PS

předávací stanice tepla

TČ

tepelné čerpadlo

OTE

operátor trhu

OZE

obnovitelný zdroj energie

ERÚ

energetický regulační úřad

Seznam tabulek TAB. A 1 - 1 ZÁKLADNÍ TECHNICKÉ ÚDAJE KOGENERAČNÍCH TECHNOLOGIÍ [7]………………………...…………. 13 TAB. A 2 - 1 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S PARNÍ TURBÍNOU [3]................................................................. 28 TAB. A 2 - 2 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S PLYNOVOU TURBÍNOU [3].........................................................28 TAB. A 2 - 3 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S PAROPLYNOVÝM ZAŘÍZENÍM [3]............................................... 29 TAB. A 2 - 4 PRIMÁRNÍ JEDNOTKA SE SPALOVACÍM MOTOREM [3].......................................................... 29 TAB. A 2 - 5 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S PALIVOVÝM ČLÁNKEM [3]......................................................... 29 TAB. A 2 - 6 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S EXPANZNÍ PLYNOVOU TURBÍNOU [3]........................................30 TAB. A 2 - 7 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA SE STIRLINGOVÝM MOTOREM [3]................................................30 TAB. A 2 - 8 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S TEPELNÝM ČERPADLEM [3]....................................................... 30 TAB. A 2 - 9 KOGENERAČNÍ JEDNOTKA S MIKROTURBÍNOU[3]..................................................................31

114


TAB. A 4 - 1 SROVNÁNÍ ŽIVOTNOSTI ZÁKLADNÍCH ČÁSTÍ MOTORU [8]..................................................... 40 TAB. B 2 - 1 STANOVENÍ PARAMETRU HT PRO JEDNOTLIVÉ MĚSÍCE [11] ................................................50 TAB. B 2 - 2 VÝPOČET VELIKOSTI ZDROJE DLE VENKOVNÍ TEPLOTY [11] ..................................................51 TAB. B 2 - 3 PARAMETRY ZVOLENÝCH JEDNOTEK [12] ............................................................................54 TAB. B 2 - 4 ALGORITMUS ŘEŠENÍ JEDNOTKY T180 .................................................................................57 TAB. B 2 - 5 ALGORITMUS ŘEŠENÍ JEDNOTKY T200 .................................................................................60 TAB. B 2 - 6 POROVNÁNÍ VÝSLEDNÝCH HODNOT ....................................................................................63 TAB. B 2 - 7 PARAMETRY GENERÁTORU [12] ..........................................................................................64 TAB. B 2 - 8 PARAMETRY MOTORU [12] ..................................................................................................65 TAB. B 2 - 9 PARAMETRY PRIMÁRNÍHO OKRUHU [12].............................................................................66 TAB. B 2 - 10 PARAMETRY SEKUNDÁRNÍHO OKRUHU [12] ......................................................................66 TAB. B 2 - 11 PARAMETRY SPALIN [12] ...................................................................................................66 TAB. B 2 - 12 PARAMETRY TECHNOLOGICKÉHO OKRUHU [12] ................................................................67 TAB. B 2 - 13 PARAMETRY ZEMNÍHO PLYNU [12] ....................................................................................67 TAB. B 2 - 14 PARAMETRY SPALOVACÍHO A VENTILAČNÍHO VZDUCHU [12] ............................................68 TAB. B 2 - 15 PARAMETRY SPALIN A SPALINOVODU [12] ........................................................................68 TAB. B 2 - 16 PARAMETRY HLUKU [12]....................................................................................................69 TAB. B 2 - 17 ELEKTRICKÉ PARAMETRY [12] ............................................................................................69 TAB. B 2 - 18 ROZMĚRY A HMOTNOST JEDNOTKY [12] ...........................................................................69 TAB. B 3 - 1 SKLADBA CENY ELEKTRICKÉ ENERGIE [15] ............................................................................69 TAB. B 3 - 2 SKLADBA CENY ZEMNÍHO PLYNU [11] ..................................................................................75 TAB. B 3 - 3 SHRNUTÍ POŘIZOVACÍCH NÁKLADŮ .....................................................................................76 TAB. B 3 - 4 SHRNUTÍ PROVOZNÍCH NÁKLADŮ ........................................................................................79 TAB. B 3 - 5 ZÁKLADNÍ SAZBA ROČNÍHO ZELENÉHO BONUSU [16] ..........................................................80 TAB. B 3 - 6 DOPLŇKOVÁ SAZBA I K ZÁKLADNÍ SAZBĚ [16] ......................................................................81 TAB. B 3 - 7 VÝŠE DOSAVADNÍCH PLATEB ZA MĚRNOU JEDNOTKU [11] ..................................................82 TAB. B 3 - 8 SOUHRN VSTUPNÍCH HODNOT ............................................................................................83 TAB. B 3 - 9 VÝPOČET PROSTÉ NÁVRATNOSTI .........................................................................................85 TAB. B 3 - 10 SROVNÁNÍ NÁVRATNOSTÍ VŠECH VYBRANÝCH JEDNOTEK .................................................86

Seznam obrázků OBR. A 1 - 1: BLOKOVÉ SCHÉMA KOGENERAČNÍ JEDNOTKY [5] .................................................................8 OBR. A 1 - 2: ÚSPORA ENERGIÍ POMOCÍ KOGENERACE [6] ........................................................................9 OBR. A 1 - 3: ROZDĚLENÍ KOGENERAČNÍCH SYSTÉMŮ [3] .......................................................................14

115


OBR. A 2 - 1: SCHÉMA KOGENERACE S PARNÍ PROTITLAKOU TURBÍNOU [2] ...........................................16 OBR. A 2 - 2: SCHÉMA KOGENERACE S PARNÍ KONDENZAČNÍ TURBÍNOU [2] ..........................................16 OBR. A 2 - 3: SCHÉMA KOGENERACE SE SPALOVACÍ TURBÍNOU [2] ........................................................17 OBR. A 2 - 4: SCHÉMA KOGENERACE SE SPALOVACÍ TURBÍNOU V PAROPLYNOVÉM PROVEDENÍ [2] ......18 OBR. A 2 - 5: SCHÉMA KOGENERACE SE SPALOVACÍMI MOTORY [2] .......................................................20 OBR. A 2 - 6: SCHÉMA KOGENERACE S PALIVOVÝMI ČLÁNKY [2] .............................................................22 OBR. A 2 - 7: SCHÉMATA OBVYKLÉHO OHŘEVU ZEMNÍHO PLYNU PŘED EXPANZÍ [2] ..............................23 OBR. A 2 - 8: PRINCIP PRÁCE STIRLINGOVA MOTORU [2] ........................................................................24 OBR. A 2 - 9: ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA PRINCIPU TEPELNÉHO ČERPADLA [2] .........................................25 OBR. A 2 - 10: TČ S PLYNOVÝM MOTOREM VYUŽÍVANÉ PRO OHŘEV TOPNÉ VODY [2]............................26 OBR. A 2 - 11: SCHÉMA KOGENERAČNÍ JEDNOTKY S MIKROTURBÍNOU [3] .............................................27 OBR. B 2 - 1: SCHÉMA KOGENERAČNÍ JEDNOTKY TEDOM CENTO T200 [12] ...........................................64 OBR. B 2 - 2: SPALOVACÍ MOTOR JEDNOTKY TEDOM CENTO T200 [12] ..................................................65 OBR. B 2 - 3: ROZMĚRY JEDNOTKY TEDOM CENTO T200 [12] .................................................................70 OBR. B 3 - 1: ÚZEMÍ ČR DLE PŮSOBENÍ DISTRIBUČNÍCH SPOLEČNOSTÍ [13] .......................................... 702 OBR. B 3 - 2: FINANČNÍ TOKY VÝPLATY PODPORY VÝROBY ELEKTRICKÉ ENERGIE [17] .............................80

Seznam grafů GRAF B 2 - 1 SPOTŘEBA ELEKTRICKÉ ENERGIE BĚHEM PRACOVNÍCH DNŮ [11] .......................................48 GRAF B 2 - 2 SPOTŘEBA ELEKTRICKÉ ENERGIE BĚHEM VÍKENDŮ [11] ......................................................48 GRAF B 2 - 4 TEPLOTY V ROCE 2012 [14] .................................................................................................52 GRAF B 2 - 3 ROČNÍ DIAGRAM ODBĚRU TEPLA .......................................................................................52 GRAF B 2 - 5 SPOTŘEBA PÁRY BĚHEM ROKU [11] ....................................................................................53 GRAF B 2 - 6 OPTIMALIZOVANÉ VARIANTY .............................................................................................55 GRAF B 2 - 7 TÝDENNÍ ODBĚROVÝ DIAGRAM JEDNOTKY T 180 [18] ........................................................56 GRAF B 2 - 8 POMĚR TEPLA VYROBENÉ KOGENERAČNÍ JEDNOTKOU T180 A PŘEDÁVACÍ STANICÍ [11] ...56 GRAF B 2 - 9 TÝDENNÍ ODBĚROVÝ DIAGRAM JEDNOTKY T 200 BEZ NOČNÍHO ÚTLUMU [18] ..................59 GRAF B 2 - 10 POMĚR TEPLA VYROBENÉ KOGENERAČNÍ JEDNOTKOU T200 A PŘEDÁVACÍ STANICÍ [11]..59 GRAF B 2 - 11 TÝDENNÍ ODBĚROVÝ DIAGRAM SE SNÍŽENÝM NOČNÍM PROVOZEM [18] .........................62 GRAF B 3 - 2 NÁVRATNOST INVESTICE ....................................................................................................85 GRAF B 3 - 3 POROVNÁNÍ NÁVRATNOSTÍ................................................................................................86

116


Seznam příloh Č. VÝKRESU

NÁZEV VÝKRESU

FORMÁT

C_01

STÁVAJÍCÍ SCHÉMA KOTELNY

5x1,5 A4

C_02

STÁVAJÍCÍ SCHÉMA OHŘEVU TEPLÉ VODY

4x1,5 A4

C_03

TECHNOLOGICKÉ SCHÉMA KOGENERAČNÍ JEDNOTKY

4x A4

C_04

SCHÉMA KOTELNY S KOGENERAČNÍ JEDNOTKOU

12x A4

117

KOMBINOVANÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE

Recommend Documents